کاربرد اینورتر در پمپ های گریز از مرکز

در این مقاله قصد داریم چگونگی تاثیر اینورتر های فرکانس متغیر (VFD) در کاهش مصرف انرژی را توضیح دهیم .پمپ های گریز از مرکز از یک پروانه دوار جهت افزودن فشار یک مایع سیال استفاده می کنند و معمولا برای جابجا کردن مایع سیال از طریق سیستم لوله کشی استفاده می شوند. پمپ های گریز از مرکز به سه دسته زیر تقسیم می شوند :

• پمپ جریان شعاعی
• پمپ جریان محوری
• پمپ جریان مختلط

پمپ های گریز از مرکز به طور کلی دارای اندازه ای هستند که در حداکثر جریان در بهترین حالت بهره وری و کارایی کار کنند. با این حال ، حداکثر میزان جریان مورد نیاز ، اغلب برای یک دوره بسیار کوتاه در طول سیکل کاری اتفاق می افتد ، با این نتیجه که به برخی از روش های کنترل جریان مورد نیاز است. روش سنتی برای کنترل جریان از شیرهایی استفاده می کند که فشار سیستم را افزایش می دهد که ذاتاً باعث اتلاف انرژی می شود و به طور کلی باعث می شود پمپ گریز از مرکز با کاهش راندمان کار کند.

درایوهای فرکانس متغیر با ارائه عملکرد پمپ سرعت متغیر می توانند به کاهش جریان برسند. که منجر به کاهش فشار سیستم و عملکرد در نزدیکی بالاترین نقطه بهره وری پمپ می شود. علاوه بر این ، هزینه های تعمیر و نگهداری ممکن است کاهش یابد. در این مقاله پتانسیل صرفه جویی در مصرف انرژی درایوهای فرکانس متغیر و پس از آن شرح مختصری از عملکرد و مزایای نسبی اینورتر ها بحث خواهیم کرد.

برنامه های پمپ گریز از مرکز و صرفه جویی در مصرف انرژی

از پمپ های گریز از مرکز در بسیاری از کاربردهای صنعتی و تجاری استفاده می شود. بسیاری از این پمپ ها با سرعت ثابت کار می کنند ، اما می توانند از طریق کار با سرعت متغیر موجب صرفه جویی در مصرف انرژی شوند. بررسی قوانین تمایل پمپ های گریز از مرکز و سیکل کاری معمولی برای کاربردهای گریز از مرکز ، این موضوع را نشان می دهد.

شکل 1 قوانین فیزیکی کاربرد های پمپ گریز از مرکز را نشان می دهد. جریان به صورت مستقیم با سرعت متناسب است و فشار متناسب با مربع سرعت است؛ و همچنین توان متناسب با مکعب سرعت است. این روابط می توانند همانطور که در جدول 1 نشان داده شده است می توانند به صورت عددی بیان شود. از لحاظ تئوری می توان تنها با 13٪ توان مورد نیاز در جریان 100٪ را با جریان 50٪ انجام داد. از آنجا که نیازهای توان بسیار سریعتر از کاهش جریان تقلیل می یابد ، پتانسیل کاهش انرژی قابل توجه در جریانهای کاهش یافته وجود دارد.

شکل 1: قوانین تمایل پمپ های گریز از مرکز

جدول 1:کاربرد های اینورتر در پمپ های گریز از مرکز

این خصوصیات وقتی مهم هستند که یک سیکل کاری معمولی را برای کاربرد پمپ گریز از مرکز در نظر بگیرد. یک سیکل عملیاتی معمولی ممکن است توسط نمودار میله ای در شکل 2 نشان داده شود ، پمپ های گریز از مرکز به طور کلی در اندازه هایی ساخته می شوند تا نیازهای اوج جریان را تحمل کنند ، که معمولاً برای مدت زمان بسیار کوتاهی اتفاق می افتد. در نتیجه تجهیزات در بیشتر زمان ها با کاهش جریان کار می کنند. برای این مثال ، سیستم در زیر 94٪ از زمان در زیر 70٪ کار می کند. بنابراین ، این نوع سیکل کاری می تواند با بهره گیری از سرعت متغیر پمپ گریز از مرکز ، موجب صرفه جویی در مصرف انرژی شود.

شکل 2 :سیکل کاری پمپ گریز از مرکز معمولی

اصول پایه ای پمپ گریز از مرکز

دانستن ویژگی های اصلی عملکرد پمپ های گریز از مرکز برای اعمال درایوهای فرکانس متغیر برای این کاربرد خاص ضروری است.

شکل 3 منحنی پمپ گریز از مرکز است که رابطه فشار و جریان یک پمپ گریز از مرکز معمولی را نشان می دهد. این منحنی نشان می دهد که پمپ گریز از مرکز در صورت اعمال بر روی سیستم لوله کشی ، که در آن یک دیفرانسیل فشار بزرگ در پمپ برای بلند کردن مایع و غلبه بر مقاومت در برابر جریان لازم است ، جریان محدودی ایجاد می کند(نقطه A). با کاهش دیفرانسیل فشار مورد نیاز ، جریان بیشتری حاصل می شود (نقطه B)

شکل 3: منحنی پمپ گریز از مرکز

برای تعیین جایی که در امتداد این منحنی ، پمپ گریز از مرکز در یک کاربرد معین عمل خواهد کرد ، به اطلاعات اضافی ارائه شده توسط منحنی سیستم نیاز دارد. این منحنی ، همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است ، بیانگر ویژگی های سیستم لوله کشی است که پمپ گریز از مرکز اعمال می شود.

شکل 4: منحنی سیستم

این منحنی نشان می دهد که چند فوت از ارتفاع که پمپ گریز از مرکز باید بدون در نظر گرفتن نرخ جریان ، مایع را بلند کند. راه دیگر برای توصیف سر استاتیک ، فکر کردن به عنوان میزان کار لازم برای غلبه بر اثر گرانش است.

مؤلفه دیگر سر به اصطکاک اصطکاک گفته می شود و با افزایش جریان افزایش می یابد. سر اصطکاک اندازه گیری مقاومت در برابر جریان (فشار پشتی) است که توسط لوله و دریچه های مرتبط با آن ، آرنج و سایر عناصر سیستم ارائه می شود.

تقاطع پمپ گریز از مرکز و منحنی های سیستم ، نقطه عملیاتی سیستم را بدون کنترل جریان ، نشان می دهد ، همانطور که در شکل 5 نشان داده شده است.

شکل 5: منحنی ترکیبی

شکل 6 یک پمپ گریز از مرکز معمولی و منحنی کارآیی را برای کار با سرعت ثابت نشان می دهد. مشاهده می شود که برای عملکرد سرعت ثابت ، با تنظیم جریان ، راندمان متفاوت است. با این حال ، برای عملکرد سرعت متغیر ، قوانین تمایل پیش بینی می کنند که منحنی پمپ گریز از مرکز به جهت کاهش سرعت به سمت پایین تغییر کند و منحنی بازده به سمت چپ تغییر کند به گونه ای که بازده نسبت به نقاطی که در منحنی پمپ برای کاهش جریان ها قرار دارد ثابت باشد.

شکل 6: بازده پمپ سرعت ثابت

تکنیک های کنترل جریان

از لحاظ تاریخی موتورهای AC با سرعت ثابت پمپ های گریز از مرکز را هدایت کرده و با استفاده از دریچه های کنترل همانطور که در شکل 7 نشان داده شده است ، جریان کاهش یافته است. بستن دریچه با افزایش اصطکاک در سیستم ، جریان را کاهش می دهد. منحنی اصلاح یافته سیستم و نقطه عملیاتی جدید می توانند همانطور که در شکل 8 نشان داده شده است نشان دهند. توجه داشته باشید که کاهش مطلوب جریان حاصل شده است ، اما با هزینه افزایش فشار سیستم نسبت به جریان 100٪.

شکل 7: کنترل شیر (روش جایگزین برای کنترل شیر در شکل 9 نشان داده شده است)

شکل 8: سیستم دریچه گاز

کاهش سرعت پمپ گریز از مرکز باعث می شود که منحنی پمپ همانطور که در شکل 9 نشان داده شده است به سمت پایین تغییر کند ،. از آنجا که نقطه کار همچنان با تقاطع منحنی پمپ کاهش سرعت و منحنی سیستم تعیین می شود ، می توان به همان میزان کاهش یافته جریان دست یافت. با یک شیر ، اما با میزان قابل توجهی فشار کمتر.

شکل 9: کنترل سرعت متغیر

علاوه بر صرفه جویی در مصرف انرژی توسط اینورتر ، با فشارهای کاهش یافته می تواند باعث ماندگاری بیشتر درزگیر پمپ ، کاهش سوزش پروانه و کاهش لرزش و سر و صدای سیستم شود. این مزایا می تواند میزان صرفه جویی بیشتری در مصرف انرژی صرفه جویی بالقوه توسط درایو فرکانس متغیر را فراهم کند.

صرفه جویی در مصرف انرژی توسط اینورتر ها

توان خروجی پمپ گریز از مرکز یا توان هیدرولیک می تواند به صورت زیر بیان شود

بخار = {سر (پا) x جریان (GPM) x گرانش خاص} / 3960

بنابراین ، برای هر مایع معین ، توانی که پمپ گریز از مرکز باید منتقل کند ، متناسب با جریان است و همانطور که در شکل 10 نشان داده شده ،می تواند  توسط مستطیل برای هر نقطه عملیاتی نشان داده شود .

شکل 10: عملیات سرعت متغیر

مستطیل کنترل شیر شامل نقاط تاریک و روشن است. کنترل سرعت فقط از قسمت سایه دار روشن تر اسب بخار استفاده می کند. بنابراین ، صرفه جویی در انرژی بالقوه موجود در این نقطه جریان خاص توسط مستطیل تیره تر نشان داده شده است. این وضعیت منجر به کاهش قابل توجه در توان خروجی مورد نیاز از طریق استفاده از کنترل درایو فرکانس متغیر به جای کنترل شیر می شود .با اشاره به این کاهش توان خروجی مورد نیاز به توان ورودی ، که مبنای قبض برق کاربر است ، نیاز به در نظر گرفتن کارایی پمپ های گریز از مرکز و عناصر کنترل جریان است.

توان را می توان به صورت زیر بیان کرد:

توان = توان خروجی / توان ورودی = توان خروجی / (توان خروجی + تلفات)

از آنجا که توان خروجی مورد نیاز در جریانهای کاهش یافته به میزان قابل توجهی کاهش می یابد ، در هر عنصر سیستم با کاهش سرعت ، تلفات کاهش می یابد. صرفه جویی در مصرف انرژی می تواند حتی زمانی که تجهیزات ارائه دهنده عملکرد سرعت متغیر نسبتاً ناکارآمد هستند ، اهمیت داشته باشد ، همانطور که مثال عددی در جدول 2 نشان می دهد.

جدول 2: مقایسه هزینه انرژی

*کنترل لغزش به کوپلینگهای مایع و مغناطیسی گفته می شود ، که اغلب به آن اتصالهای جریان هیدرولیک یا گردابی گفته می شود.

بنابراین ، اولین قدم برای تحقق صرفه جویی در مصرف انرژی در کاربرد های پمپ گریز از مرکز ، تصمیم به استفاده ازاینورتر برای پمپ ها است. مرحله دوم استفاده از کارآمدترین اینورتر است که شرایط استفاده را برآورده می کند.

تلفات انرژی اینورتر می تواند به طور قابل توجهی در بین انواع اینورتر متفاوت باشد ، درایوهای حالت جامد دارای تلفات بسیار کمتری نسبت به دستگاههای لغزش و تقریبا ایده ال هستند .

شکل 11: مقایسه توان ورودی

مقایسه کارایی

راندمان پمپ گریز از مرکز در نقاط مختلف عملیاتی به آسانی از قالب سازنده پمپ به صورت نقشه کارآیی که بر روی منحنی های پمپ گریز از مرکز قرار داده شده است برای اندازه های مختلف پروانه مانند در شکل 12 نشان داده شده است.

شکل 12: بهره وری برای پروانه های مختلف

در سالهای اخیر پیشرفته ترین فناوری در الکترونیک به کار گرفته شده. پیشرفت های منطق دستگاههای کوچک و یکپارچه ریزپردازنده ای را در مقیاس بزرگ تولید کرده است که به افزایش قابلیت اینورتر ها ادامه خواهد داد. پیشرفت در تریستورها باعث کاهش اندازه شده است در حالی که توسعه IGBT ها قابلیت ها و دامنه های اندازه را گسترش داده اند. پیش بینی می شود اینورتر ها در سال های آینده با کاهش در هزینه و افزایش عملکرد ادامه دهند. علاوه بر صرفه جویی در مصرف انرژی در دراز مدت ، اختلاف قیمت اولیه بین نصب پکیج اینورتر / موتور در مقایسه با یک استارت / پکیج موتور AC به طور مداوم در حال کاهش است.

افزایش چشمگیر در هزینه های انرژی در سال های اخیر ، کنترل سرعت جریان متغیر را از طریق استفاده از اینورتر ها در بسیاری از موارد اقتصادی کرده است. کاربران بزرگی از تجهیزات پمپاژ گریز از مرکز عاقلانه می توانند اکنون تجربه کسب این اینورتر ها را بدست آورند.

نتیجه گیری

مهمترین انتخابی که در انتخاب اینورتر ها باید انجام شود ، تصمیم گیری برای انتخاب اینورتر بدون لغزش و حالت جامد است. هر نوع اینورتر می تواند با تطبیق کارآمد انرژی مصرفی با بارهای هیدرولیك در هر لحظه ، پس انداز انرژی چشمگیری را ارائه دهد.