THIẾT kế điều KHIỂN, hệ TRUYỀN ĐỘNG điện CHO TRẠM có NHIỀU bơm

Theo nguyên lí làm việc hay cách cấp năng lượng, có hai loại bơm: -Bơm thể tích: Loại bơm này khi làm việc thì không gian thể tích làm việcthay đổi nhờ chuyển động tịnh tiến của pitt

CHƯƠNG 1 ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN GIÁM SÁT HỆ THỐNG BƠM CHẤT LỎNG BỒN KÍN NHIỀU BƠM

1.1 Khái quát chung

1.1.1 Khái niệm chung:

- Bơm là máy thuỷ lực dùng để hút và đẩy chất lỏng từ nơi này đến nơikhác Chất lỏng dịch chuyển trong đường ống nên bơm phải tăng áp suất chấtlỏng ở đầu đường ống để thắng trở lực trên đường ống và thắng hiệu áp suất ở 2đầu đường ống Năng lượng bơm cấp cho chất lỏng lấy từ động cơ điện hoặc từcác nguồn động lực khác (máy nổ, máy hơi nước…)

- Điều kiện làm viêc của bơm rất khác nhau (trong nhà, ngoài trời, độ ẩm, nhiệt

độ v.v…) và bơm phải chịu được tính chất lý hoá của chất lỏng cần vận chuyển

1.1.2 Phân loại:

Phân loại bơm có nhiều cách:

a Theo nguyên lí làm việc hay cách cấp năng lượng, có hai loại bơm:

-Bơm thể tích: Loại bơm này khi làm việc thì không gian thể tích làm việcthay đổi nhờ chuyển động tịnh tiến của pittong (bơm pittong) hay nhờ chuyểnđộng quay của roto (bơm roto) Kết quả thế năng và áp suất chất lỏng tăng lênnghĩa là bơm cung cấp áp năng cho chất lỏng

Bơm động học: trong bơm này chất lỏng được cung cấp động năng từbơm và áp suất tăng lên Chất lỏng qua bơm, thu được động lượng nhờ va đậpcủa các cánh quạt (bơm li tâm, bơm hướng trục) hoặc nhờ ma sát của tác nhânlàm việc (bơm xoáy lốc, bơm tia, bơm chấn động, bơm xoắn, bơm sục khí), hoặcnhờ tác động của trường điện từ (bơm điện từ) hay các trường lực khác

b Theo cấu tạo:

- Bơm cánh quạt: trong loại này bơm li tâm chiếm đa số và hay gặp nhất(bơm nước)

- Bơm pittong ( bơm nước, bơm dầu)

- Bơm roto (bơm dầu, hóa chất, bùn )

Thuộc loại này có bơm bánh răng, bơm cách trượt (lá gạt)

Ngoài ra còn có các loại đặc biệt như bơm màng cánh (Bơm xăng trongôtô), bơm phun tia (tạo chân không trong các bơm lớn nhà máy nhiệt điện)

1.1.3 Sơ đồ các phần tử của một hệ thống bơm

Các phần tử cơ bản trong một hệ thống bơm được giới thiệu trên hình 1.1:

Hình 1.1 : Sơ đồ cấu trúc của một hệ thống bơm

Bơm hút chất lỏng từ bể hút 4 qua bộ lọc 3, qua ống hút 5, qua van 6, van

7 và đẩy chất lỏng qua ống đẩy 8 vào bể chứa 9 Động cơ lai 1 dùng để quaybơm 2, 11 là đồng hồ chỉ thị ở cửa hút còn 12 là đồng hồ chỉ thị ở cửa đẩy

1.1.4 Các thông số cơ bản của bơm

a Cột áp H (hay áp suất bơm) Đó là lượng tăng năng lượng riêng cho một đơn

vị trọng lượng của chất lỏng chảy qua bơm (từ miệng hút đến miệng đẩy củabơm)

Cột áp H thường được tính bằng mét cột chất lỏng ( hay mét cột nước)hoặc tính đổi ra áp suất của bơm

gH H

P   Trong đó:

- γ : trọng lượng riêng của chất lỏng được bơm (N/m3)

- ρ : Khối lượng riêng chất lỏng (kg/m3)

- g : Gia tốc trọng trường

- Độ chênh mức chất lỏng giữa bể chứa và bể hút Hh + Hd [m]

- Độ chênh áp suất tại hai mặt thoáng ở bể hút (p1) vàbể chứa (p2)

g

p p p

p





1 2 1

2

2 

g

v v h h g

p p H H

2 )

(

2 1

2 2 1

d

l g

v

) (

d

l g

- lh, ld, dh, dd : các chiều dài và đường kính ống hút ống đẩy (m)

-h ,d : tổng hệ số trỏe lực cục bộ trong ống hút và ống đẩy

b Lưu lượng (năng suất) bơm: đó là thể tích chất lỏng do bơm cung cấp vào ống

đẩy trong một đơn vị thời gian

c Công suất bơm ( P hay N )

Trong một số tổ máy bơm cần phải phân biệt 3 loại công suất:

- Công suất làm việc N i(công suất hữu ích) là công để đưa một lượng Qchất lỏng lên độ cao H trong một đơn vị thời gian (s)

3 10

- Công suất tại trục bơm N (thường ghi trên nhãn bơm) Công suất nàythường lớn hơn Ni vì có tổn hao ma sát.

- Công suất động cơ kéo bơm (Nđc) Công suất này thường lớn hơn N để bùhiệu suất truyền động giữa động cơ và bơm, ngoài ra còn dự phòng qúa tải bấtthường

3 10

đc

H Q k N k N







Trong đó : k - hệ số dự phòng

Còn với k thì công suất bơm dưới: 2kW, lấy k = 1,50

2 - 5 kW lấy k = 1,50  1,25

5 - 50kW lấy k = 1,25  1,15

50 - 100kW lấy k = 1,15  1,08

Công suất bơm trên 100kw lấy k = 1.05

Cũng có thể lấy hệ số dự phòng khi:

Q < 100 m /3 h thì k = 1,2  1,3

Q > 100 m /3 h thì k = 1,1  1,15

tđ

 - hiệu suất bộ truyền Với bộ truyền đai (cu roa) thì tđ < 1 Còn khi động

cơ nối trực tiếp với bơm thì tđ  1

d Hiệu suất bơm ( b ) là tỉ số giữa công suất hữu ích N i và công suất tai trụcbơm N

+ Hiệu suất cơ khí do tổn thất vì ma sát giữa các bộ phận cơ khí (ổ bi, gốitrục…) và bề mặt ngoài của guồng động (bánh xe công tác) với chất lỏng (bơm

ly tâm)

Tốc độ chuyển động của hạt chất lỏng khi ra khỏi bánh cánh công tác lớn

sẽ làm tăng tổn thất của đường dòng, bởi vậy cần phải giảm tốc độ này bằngcách biến một phần động năng của hạt chất lỏng chuyển động thành áp năng Đểgiải quyết điều này, chất lỏng sau khi ra khỏi bánh cánh công tác sẽ được dẫnvào buồng có tiết diện lớn dần dạng xoắn ốc nên gọi là bầu góp xoắn ốc Do sựquay đều của bánh cánh công tác nên trong đường ống chất lỏng chuyển độngliên tục

* Phân loại bơm

+ Theo lưu lượng của bơm:

- Bơm có lưu lượng thấp : Q < 20m3/h

- Bơm có lưu lượng trung bình : Q < 60m3/h

- Bơm có lưu lượng cao: Q > 60m3/h

+ Phân loại theo cột áp của bơm:

-Bơm có nhiều cấp là các cánh của bánh công tác được lắp ghép nối tiếp.-Bơm có nhiều bánh cánh, bánh cánh được nối ghép song song.

+ Theo cách dẫn chất lỏng vào bánh công tác:

-Bơm có bánh công tác hút chất lỏng từ một phía được gọi là bơm mộtmiệng hút

-Bơm có hai miệng hút

+ Theo kết cấu của vỏ:

-Bơm một vỏ là bơm có một mặt phẳng chia vỏ ra làm hai phần qua tâmtrục

-Bơm vỏ rời là bơm mà vỏ cấu tạo thành từ các phần riêng, mỗi phần ứngvới một bánh công tác tạo thành một cấp của bơm

+ Theo cách đặt bánh công tác:

-Bơm đặt thẳng đứng

-Bơm đặt nằm ngang

+ Theo loại chất lỏng được chuyển bằng bơm :

-Bơm để bơm nước

-Bơm để bơm sản phẩm dầu hoả

+ Theo cách hút của bơm:

- Các bơm tự hút là các bơm có thiết bị để tạo ra chân không trong đườngống hút trong thời kỳ khởi động

- Các bơm không tự hút là các bơm không có thiết bị để tạo ra độ chânkhông trong đường ống hút trong thời kỳ khởi động

* Các thông số cơ bản của bơm ly tâm

- Cột áp:

Bơm li tâm khi làm việc với hệ thống đường ống sẽ có cột áp xác định,cột áp này bằng cột áp cản của đường ống Ta gọi cột áp đó là cột áp làm việccủa bơm li tâm và được xác định theo công thức sau:

v 1 , v 2 – Là giá trị tốc độ dòng tại cửa hút và cửa đẩy của bơm;

z 1 , z 2 - Độ chênh hình học của hai vị trí đo áp suất P1 và P2;

Đối với bơm li tâm, ứng với mỗi vòng quay nhất định thì chỉ có một giátrị cột áp mà tại đó bơm làm việc với hiệu suất cao nhất, ta gọi là cột áp địnhmức Giá trị cột áp này được chỉ dẫn trên tài liệu kỹ thuật của bơm

- Lưu lượng:

Lưu lượng là lượng chất lỏng mà bơm vận chuyển được trong một đơn vịthời gian Giá trị sản lượng này thường được xác định bằng các cách đo trực tiếpdòng chất lỏng mà bơm cung cấp được

Lưu lượng thường được ký hiệu là Q, thứ nguyên là m3/giờ, m3/giây,lít/phút

- Công suất:

+ Công suất làm việc

Công suất làm việc là công suất tiêu tốn trên trục động cơ lai bơm Ví dụbơm được lai bằng động cơ điện thì:

NLV= Nđ/cơ điện lai.đ/cơ điện lai

+ Công suất thuỷ lực:

Công suất thuỷ lực là công suất mà chất lỏng thực sự nhận được từ động

cơ lai để tạo ra cột áp H, và sản lượng Q,  là khối lượng riêng của chất lỏng

* Cấu tạo của bơm ly tâm

Ngày nay bơm li tâm có nhiều loại và kết cấu rất đa dạng song chúng baogồm các bộ phận chính như: Vỏ bơm, bánh cánh, ống góp hình xoắn ốc và thiết

bị làm kín Kết cấu của một bơm điển hình được thể hiện trên (Hình 1.2) Đây làbơm li tâm một cấp đặt đứng cửa hút quay xuống dưới và có khoan lỗ cân bằngtrên cánh để khử lực dọc trục

Hình 1.2: Cấu tạo bơm li tâmTrong đó:

Thân vỏ bơm có thể được chia thành nhiều khoang riêng biệt với nhau vớinhiều mục đích Nó cũng còn có ý nghĩa trong việc tạo khung để bố trí các ổ đỡtrục, bộ làm kín, định hướng bánh cánh và các chi tiết khác…

Khi tháo lắp, sửa chữa hoặc bảo dưỡng nên chú ý các chốt định vị, độ dàycác gioăng và thứ tự lắp ghép để đảm bảo trạng kỹ thuật của bơm

Lối dẫn chất lỏng vào bánh cánh tạo thành cửa hút Phần góp chất lỏng ratheo phương tiếp tuyến ngoài của bánh cánh công tác có hình xoắn ốc Bầu gópnày có nhiệm vụ biến một phần cột áp động thành cột áp tĩnh nhằm giảm tổnthất năng lương dưới dạng động năng

- Bánh cánh công tác:

Bánh cánh công tác của bơm li tâm hình tròn gồm nhiều cánh cong hay

thẳng (Số lượng từ 5 - 9 cánh) gắn trên mâm tròn xoay và được quay nhờ gắn

chặt trên trục quay của bơm.Bánh cánh được chế tạo từ các loại vật liệu khácnhau song trong lĩnh vực tàu thuỷ thường được chế tạo từ đồng đúc hoặc ghép

Bánh cánh bơm li tâm có 3 loại chính là kín hai phía, hở một phía (phíacòn lại kín) và hai phía đều hở

ra tuỳ thuộc vào chế độ công tác và ưu tiên chức năng chính của bơm cầncột áp hay cần lưu lượng mà kết cấu có dạng cánh cong ít hay cong nhiều

Cánh cong nhiều và dài ( 2 nhỏ) để bơm chủ yếu tạo ra cột áp lớn Ngược

lại cánh cong ít và ngắn ( 2 lớn) thì bơm chủ yếu tạo ra sản lượng cao

- Thiết bị làm kín:

Trong bơm li tâm thiết bị làm kín có nhiệm vụ ngăn cách giữa các khoangcông tác với nhau, không cho rò rỉ chất lỏng qua lại để đảm bảo chức năng củabơm Đồng thời có nhiệm vụ cách biệt trong bơm với bên ngoài môi trường, hạnchế sự rò lọt của chất lỏng công tác ra ngoài môi trường, hoặc ngăn chặn khôngkhí bên ngoài lọt vào bơm.(Hình 1.3) thể hiện các vị trí cần làm kín trong bơm

Đó là các vị trí lắp các bộ làm kín (Vị trí A, B, C) Chúng có tác dụng làm cách

biệt các vùng công tác có áp suất cao và vùng áp suất thấp, tránh sự qua lại củachất lỏng Tuy nhiên trong thực tế sự qua lại của chất lỏng vẫn tồn tại và vì thếkhông tránh khỏi tổn thất lưu lượng của bơm

Hình 1.3: Vị trí và một số dạng làm kín trong bơm li tâm

b Bơm pittông

Bơm pittông là loại bơm thể tích với nguyên lí làm việc đơn giản (hình 1 4)

Khi động cơ quay quanh trục O, kéo theo hệ thống biên - maniven 3,4 và chuyểnđộng quay biến thành chuyển động tịnh tiến qua lại của pittông 2 trong xilanh 1với hành trình S = 2R (R là chiều dài maniven) Hai vị trí giới hạn hành trìnhcủa pittông A1 và A2 tương ứng với 2 điểm chết C1 và C2 Khi pittông dịchsang trái thì thể tích buồng làm việc 5 tăng lên, áp suất tuyệt đối chất lỏng trongxilanh giảm nhỏ hơn áp suất trên bề mặt thoáng bể hút Lúc đó van đẩy 7 đónglại, van hút 6 bị đẩy mở ra và chất lỏng qua ống hút vào xilanh Đó là giai đoạnhút Khi pittông dịch sang phải thì thể tích buồng làm việc giảm đi áp suất chấtlỏng trong xilanh tăng cao Lúc này van hút 6 bị đóng lại, van đẩy 7 bị đẩy mở

ra và chất lỏng từ xilanh dồn vào ống đẩy Đó là giai đoạn đẩy

Qua cách làm việc của bơm pittông, ta thấy :

- Ống hút luôn ngăn cách bởi ống đẩy

- Chuyển động của chất lỏng không đều, lưu lượng bị dao động và hầunhư không phụ thuộc vào áp suất bơm

- Áp suất bơm (cột áp H) có thể rất cao (tương ứng với độ bền bơm vàcông suất động cơ kéo bơm)

Hình 1.4: Cấu tạo của bơm pittong

Với cùng lưu lượng như nhau thì bơm pittông cồng kềnh và khó chế tạo (kín,khít) hơn so với bơm li tâm Do vậy, ở vùng áp suất thấp và trung bình người ta

ít dùng bơm pittông, nhưng ở vùng áp suất cao và rất cao (trên 200 at) thì hiệntại bơm pittông chiếm ưu thế tuyệt đối ( như trong hệ truyền động bằng dầu,trong vòi phun nhiên liệu động cơ điêzen, trong hệ thuỷ lực điều khiển trên máybay…)

1.1.5 Đặc tính của bơm

Do bơm được lai bởi động cơ điện nên ở đây ta xét đặc tính của bơm nhưmột đối tượng mà động cơ điện phải truyền động Qua đó thấy những đáp ứngcần phải có khi động cơ kéo bơm Bơm có rất nhiều loại sau đây em chỉ khảo sátloại điển hình phổ biến và được sử dụng trong đề tài này

Do diện tích mặt cắt buông trôn ốc tăng dần nên lưu tốc chất lỏng giảmdần và một phần động năng của chất lỏng biến thành áp năng, dồn chất lỏng vàoống đẩy

Lí thuyết và thực nghiệm cho thấy: khi tốc độ quay n của động cơ giữnguyên thì cột áp H, công suất N và hiệu suất η là hàm số của lưu lượng Q.Quan hệ H=H(Q); N=N(Q); η= η(Q) gọi là các đặc tính riêng của bơm Đườngcong H=H(Q) hoặc Q=Q(H) cho biết khả năng làm việc của bơm nên còn gọi làđặc tính làm việc của bơm

Hình 1.5: Các đặc tính công tác của bơm li tâm

Nhận xét đặc tính N(Q) ta thấy: Công suất N có trị số cực tiểu khi lưulượng bằng 0 Lúc này động cơ truyền động mở máy dễ dàng Do vậy, động táchợp lí khi mở máy là khi khóa van 7 trên ống đẩy để cho Q = 0 Sau đó một hay

hai phút thì mở van ngay để tránh bơm và chất lỏng bị quá nóng do công suấtđộng cơ chuyển hoàn toàn thành nhiệt năng Hơn nữa, lúc mở máy, dòng động

cơ lại lớn nên Q ≠ 0 sẽ làm dòng khởi động quá lớn có thể gây nguy hiểm chođộng cơ điện

1.2 Yêu cầu về truyền động điện và trang bị điện cho trạm bơm

Như đã nêu, bơm có rất nhiều kiểu loại, đa dạng và giải công suất cũng rấtrộng Truyền động cho bơm phổ biến là tryuền động điện Tuỳ theo tốc độ bơm,nối giữa động cơ và bơm có thể là trực tiếp (đồng trục) hoặc gián tiếp qua hộptốc, đai truyền ly hợp thay đổi tốc độ, hệ thống biên maniven, trục khuỷu… Dovậy, khi chọn công suất động cơ, cần lưu ý tới hiệu suất của các khâu truyền lựctrung gian Các bơm hầu như không đòi hỏi thay đổi tốc độ nên phổ biến kéobơm là dùng động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha rotor lồng sóc, mở máytrực tiếp (nếu công suất nhỏ) hay gián tiếp qua điện trở, cuộn kháng ở mạchstator (nếu công suất trung bình) Với bơm có công suất trung bình và lớn, cũngthường dùng động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha rotor dây quấn, mở máybằng điện trở hạn chế ở mạch rotor để giảm dòng mở máy hoặc kết hợp thêmvới các phần tử hạn chế ở mạch stator Trường hợp công suất lớn và rất lớn,dùng động cơ không đồng bộ để cải thiện cos

Với những bơm chuyên dùng, có thể dùng động cơ một chiều kích từ song songhoặc nối tiếp, nhất là khi có yêu cầu thay đổi tốc độ bơm

Chọn động cơ kéo bơm pittông, phải theo loại bơm cụ thể và lưu ý sự biến thiêncủa lưu lượng, cột áp của bơm, do đó mômen động cơ cần đáp ứng

Trường hợp truyền động bơm li tâm, do bơm không tự động mồi nước được,mạch điều khiển cần phải đảm bảo mồi nước trước khi chạy bơm (qua bơm mồi,các van…) và tuân thủ các thứ tự thao tác chạy bơm

Vì bơm hoạt động ở môi trường ẩm ướt (nước, chất lỏng khác) hoặc ở môitrường độc hại (axit, kiềm…) hoặc ở môI trường dễ nổ, cháy (dầu, axit) hoặc ởmôi trường bẩn (bùn) nên các trang bị điện cũng phải đáp ứng được các điềukiện đó

Một số chú ý về thiết kế trang bị điện cho tạm nhiều máy bơm:

- Trước hết ta cần chú ý loại tạm bơm, nếu là bơm nước thường trạm bơm cho

hệ thống bình kín hoặc tạm bơm cho hệ thống bình hở Dù là laọi này hay loạikia thì việc vận tải chất lỏng đi xa với lưu lượng cần thiết dòng chất lỏng cũngphải dự trữ một áp năng nào đó

- Trong các loại hệ thống dùng để bơm chuyển vật liệu hoá chất, vật liệu côngnghệ, trạm thường được thiết kế nhiều bơm Trong trạm nhiều bơm thì vấn đề tựđộng hoá trạm nhằm và các vấn đề cần giải quyết sau:

(i) Duy trì mức chất lỏng cần thiết trong bình chứa;

(ii) Lựa chọn số lượng bơm hoạt động cần thiết;

(iii) Thứ tự tự động khởi động các bơm trong trạm;

(iiii) Thứ tự dừng tự động các bơm trong trạm bơm

- Thiết kế bảo vệ động cơ truyền động, bảo vệ bơm và sự làm việc bền vững của

hệ thống

- Hệ thống đảm bảo báo động, tín hiệu hoá, tự động dừng và tự động khởi độngkhi có yêu cầu

- Những hệ thống bơm đặc biệt như bơm dầu, hoá chất nhất thiết phải có nhiều

vị trí dừng khi có sự cố, hoả hoạn…

1.3 Khởi động động cơ không đồng bộ truyền động cho bơm

a Khởi động trực tiếp

Hình 1.6 Sơ đồ nguyên lý phương pháp khởi động trực tiếp

b.Khởi động bằng đổi nối sao tam giác

Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý phương pháp khởi động đổi nối sao tam giác

c.Khởi động bằng bộ khởi động mềm nhiều động cơ

Hình 1.8 Sơ đồ nguyên lý phương pháp khởi động bằng bộ khởi động mềm

1.4 Một số hệ thống bơm điển hình

a . H th ng b m ch t l ng ệ thống bơm chất lỏng ống bơm chất lỏng ơm chất lỏng ất lỏng ỏng tăng áp 2 c p ất lỏng

Hình 1.9:H th ng b m tăng áp 2 c p ệ thống bơm tăng áp 2 cấp ống bơm tăng áp 2 cấp ơm tăng áp 2 cấp ấp

M

M

M

M PG

05