Trang bị điện máy bơm
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 năng lượng cấp cho bơm.
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 năng 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 cấp 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 trường 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 của 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 nước ) 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 m3/s, l/s, m3/h.
c) Công suất bơm (P hay N): phân biệt 3 loại công suất
- Công suất làm việc Ni (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 (Nđc) 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 (ηb) là tỉ số giữa công suất hữu ích Ni và công suất tại trục
bơm N. Hiệu suất bơm gồm 3 thành phần:
ηb = ηQ η H ηm
trong đó ηQ - hiệu suất lưu lượng;
ηH - hiệu suất thuỷ lực;
ηm - 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 sản xuất, cấu
tạo đơn giản, gọn, rẻ…
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 Hình 6.2 Cấu tạo của bơm ly tâm
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 suất P, năng suất Q và
chiều cao cột áp H ( áp suất) phụ thuộc vào tốc độ quay ω của động cơ
truyền động.
Q1 ω1 H 1 ω12 P1 ω13
= ; = 2; = 3 (6-1)
Q2 ω 2 H 2 ω 2 P2 ω 2
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.
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; cần
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 Hình 6.3 Đặc tính cơ của bơm ly tâm
tĩnh Hc và chiều cao cột áp động
Hđ.
H = Hc + Hđ (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 = Hc + 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 Hc lớn, khi tăng tốc độ quay của động cơ
với một lượng không lớn từ n đến n1, 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< 0,85Uđm) 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 của pit
tông 2 là A1 và A2 ứng Hình 6.4 Cấu tạo của bơm pittông
với hai điểm chết là C1 và C2. 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 thiệu trên hình 6.5.
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 suất cột áp
không cao, nhưng có năng suất cao
hơn so với bơm pit tông, nên bơm Hình 6.5 Các đặc tính của bơm pittông
ly tâm được sử dụng phổ biến hơn.
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 tĩnh lớn (đường b hình 6.6), khi
thay đổi năng suất từ Q1 đến Q2, tốc
độ động cơ truyền động thay đổi
không đáng kể (từ n1 đến n2).
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 Q1 đến Q2), tốc độ động cơ
truyền động thay đổi đáng kể (từ n1
đến n3). 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 Hình 6.6 Đặc tính của bơm khi
cấp nước có độ cao cột áp tĩnh cao điều chỉnh lưu lượng
(Hc), 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.
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
∆Hđ gây ra tổn thất công suất trong van tiết lưu bằng:
∆P = Q∆Hđ (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
thường 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 cơ truyền động chính
Công suất động cơ truyền
động bơm được tính theo biểu
thức sau:
k .γ .QH
Q= [kW] (6-5)
1000η bη
Trong đó:
γ - khối lượng riêng của
chất lỏng
Q- năng suất của bơm, m3/s;
H- chiều cao cột áp (áp
suất), m;
ηb- hiệu suất của bơm (0,45
÷ 0,75)
η - hiệu suất của cơ cấu
truyền lực (0,45 ÷ 0,9)
Hình 6.7 Sơ đồ điện - thủy động học của
một trạm bơm
90
6.4 Sơ đồ khống chế máy bơm
Trong sơ đồ mạch điều khiển hệ truyền động trạm bơm phải đảm bảo các
nhiệm vụ sau:
1. Khởi động động cơ truyền động chính đảm bảo hạn chế dòng trong
phạm vi cho phép
a) Đối với động cơ truyền động công suất nhỏ và trung bình có thể khởi
động trực tiếp, qua cuộn kháng hoặc đổi 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 công suất lớn, khởi động động cơ dùng
bộ 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) Đối với động cơ đồng bộ, khởi động phức tạp hơn; phương pháp được
sử 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 sau:
- Bảo vệ quá tải
- Bảo vệ điện áp thấp…
4. Sơ đồ khống chế máy bơm dùng động cơ đồng bộ
Hệ truyền động bơm dùng động cơ đồng bộ thường dùng bộ nguồn cấp
kích 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 dùng máy
phát do:
- Công suất lắp đặt bé.
- Độ tác động nhanh, đặc biệt là các khâu bảo vệ
Động cơ truyền động bơm dùng loại DCK-260-24/36, Pđm = 625kW,
n = 165vg/ph.
a) Bộ nguồn kích từ gồm có các phần tử chính sau:
- Biến áp động lực 1BA
- Cầu chỉnh lưu gồm hai bộ chỉnh lưu cầu ba pha đấu song song cấu
thành từ các thyristor 1T1 ÷ 6T1 và 1T2 ÷ 6T2.
- Biến áp 4BA, 5BA, 6BA có chức năng cân bằng dòng cho hai thyristor
làm việc song song.
b) Thiết bị vào đồng bộ tự động gồm hai thyristor 1T và 2T; ĐZ1 và ĐZ2.
c) Mạch đo lường
- 2BA là biến điện 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
91
Hình 6.8 Hệ truyền động máy bơm dùng động cơ đồng bộ
92
- TI1: 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 ĐZ1 và ĐZ2 thông, thyristor 1T và 2T thông,
cuộn kích từ được nối song song với điện trở dập từ Rdt 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 Rdt 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 điện một chiều sinh ra,
kết quả động cơ tự kéo vào đồng bộ, quá trình mở máy động cơ đồng bộ kết
thúc.
