Оптимизация частотно-управляемых асинхронных электроприводов

Опыт и перспективы применения частотно-регулируемых асинхронных электроприводов в электроэнергетике России

Федеральная энергетическая комиссия России в 2001 году соответствующим решением рекомендовала считать приоритетным направлением энерго- и ресурсосбережения в электроэнергетике широкое внедрение регулируемого электропривода при выполнении проектов технического перевооружения и реконструкции тепловых электростанций. Комиссией было признано целесообразным при расчетах тарифов на электрическую и тепловую энергию ввести инвестиционную составляющую, компенсирующую затраты на проекты внедрения регулируемых электроприводов. Это должно стать серьезным стимулом широкого внедрения регулируемых электроприводов в электроэнергетике.

Электродвигатели являются наиболее распространенными электропотребителями промышленных предприятий. На них приходится около 80 % потребления электро­энергии. Большую долю установленной мощности составляют асинхронные электро­двигатели.

В установках с регулируемым числом оборотов (насосы, вентиляторы и др.), широ­ко применяются регулируемые электроприводы. Оценочные значения экономии элек­троэнергии при применении регулируемого электропривода: в вентиляционных систе­мах – 50 %, в компрессорных системах – 40-50 %, в воздуходувках и вентиляторах – 30 %, в насосных системах – 25 %. Тиристорные регуляторы напряжения дешевле, но диапазон регулирования скорости вращения меньше (снижение на 10-15 % ниже номинальных), частотные регуляторы (наиболее часто в транзисторном исполнении) дороже и диапазон регулирования шире.

Стоимость частотного регулятора оборотов электродвигателя примерно равна сто­имости электродвигателя.

Для электроприводов, работающих большую часть рабочего времени на нагрузку, достигающую 30 % и менее от номинальной мощности, для которой регулирование можно осуществлять изменением оборотов электропривода (насосы, вентиляторы, мешалки и др.), эффективно применение частотных регуляторов оборотов электро­двигателя.

Рис. 5.25 Принципиальная электрическая схема частотно-регулируемого электропривода

Эффективность применения электроприводов с частотными регуляторами (ЧРП). Частотно регулируемый электропривод — это электродвигатель (асинхрон­ный или синхронный), оснащенный регулируемым преобразователем частоты (рис. 5.25).

Для электромагнитной совместимости со стандартным асинхронным двигателем, особенно при протяженном кабеле от преобразователя частоты, на выходе последнего должен быть установлен L или LC-фильтр.

Область применения частотных регуляторов обширна:

• энергетика (питательные, сетевые и подпиточные насосы, дутьевые вентиляторы и дымососы);

• нефтяная и газовая промышленность (буровые установки, насосы нефтеперекачки, компрессоры газоперекачки);

• угольная и горнорудная промышленность (экскаваторы, электротрансмиссии мощных карьерных самосвалов, транспортеры и конвейеры, дробилки, насосы, вен­тиляторы, компрессоры и т.д.);

• цементная промышленность (печи, мельницы, конвейеры, транспортеры);

• химическая, нефтехимическая, лесная и целлюлозная промышленность (ме­шалки, центрифуги, насосы, компрессоры, вентиляторы и т.п.),

• коммунальное хозяйство (насосы систем холодного и горячего водоснабжения и отопления). Их применение позволяет на 30-40 % сократить расход электроэнергии, на 20 % — расход воды и тепла, избежать гидравлических ударов в системах).

В частотно-управляемых асинхронных электроприводах можно использовать тот же способ минимизации потерь, что и для электроприводов с двигателями постоянного тока независимого возбуждения, т. е. регулирование потока путем изменения тока обмотки возбуждения.

Однако с практической точки зрения реализация этого способа оказывается более сложной, так как формирование потока в асинхронной машине требует применения специальных датчиков либо сложных алгоритмов управления.

Структурная схема электропривода, приведенная на рис. 5.26, содержит асинхронный двигатель (АД), преобразователь частоты (ПЧ), датчики тока (ДТ) и напряжения статора (ДН), регулятор напряжения (РН) и вычислительное устройство (ВУ).

Рисунок 5.26 Структурная схема частотноуправляемого асинхронного электропривода с регулятором напряжения

Укажем одну из важных особенностей энергетической оптимизации асинхронных электроприводов при частотном управлении. Она связана с принципиальной необходимостью учета нелинейности кривой намагничивания.

В электроприводах постоянного тока работа двигателя с потоками, превышающими номинальное значение, невозможна, так как это связано с необходимостью увеличения тока возбуждения двигателя, который ограничивается условиями нагревания. Незначительна вероятность работы в зоне большого насыщения и у асинхронных электроприводов с преобразователями напряжения. Для увеличения потока в таких электроприводах необходимо повышать напряжение статора по сравнению с номинальным, а это практически трудно реализовать, так как номинальные напряжения двигателя и сети переменного тока строго согласованы.

В асинхронных электроприводах с частотным управлением поток пропорционален E/f. В ПЧ осуществляется независимое управление частотой и амплитудой напряжения, приложенного к статору АД, поэтому имеется возможность работать при пониженных частотах с большими значениями потока, существенно превышающими номинальное значение.

Сводка общих мероприятий по энергосбережению в установках, использующих элек­тродвигатели:

• мощность двигателя должна соответствовать нагрузке;

• при часто повторяющейся работе в режиме холостого хода двигатель должен легко выключаться;

• необходимо эффективно защищать крыльчатку системы обдува двигателя для уст­ранения его возможного перегрева и увеличения доли потерь;

• следует проверять качество эксплуатации трансмиссии;

• на эффективность работы системы влияет смазка подшипников и узлов трения;

• необходимо правильно выбирать тип трансмиссии;

• рассмотреть возможность применения электронных регуляторов скорости враще­ния в двигателях, которые часть времени работают не на полной нагрузке;

• оценить возможность применения энергоэффективных двигателей, т.к. сум­марная экономия электроэнергии может превысить в 15 раз стоимость электродвига­теля;

• качественно проводить ремонт двигателя, отказаться от применения неисправных или плохо отремонтированных двигателей.