8.2. Внедрение частотно - регулируемых асинхронных электроприводов, как средства сбережения электроэнергии, повышения cosφ

В электрохозяйстве промышленных предприятий находится в эксплуатации большое количество насосов, вентиляторов, компрессоров, так называемых турбо-механизмов, имеющих «вентиляторный» (зависящий от скорости в квадрате или в более высокой степени) момент статической нагрузки.

В подавляющем большинстве случаев электроприводы указанных механизмов являются нерегулируемыми, что не позволяет обеспечить режим рационального энергопотребления при изменении технологических потребностей в широких пределах. Эти механизмы, выбранные при проектировании исходя из максимальной производительности, значительную часть времени работают с меньшей производительностью, что определяется изменением потребности в разные периоды времени.

Нерегулируемый электропривод не обеспечивает заметного снижения потребляемой мощности при уменьшении расхода, а также обуславливает существенный рост давления (напора) в системе, что неблагоприятно сказывается на работе технологического оборудования.

Мощность, потребляемая насосом, определяется по формуле P = ,

где P – мощность, кВт; Q – подача, м³/с; H_q – напор, м; ρ – плотность жидкой среды, кг/дм³; η – КПД насоса.

Рис. 8.3. иллюстрирует возможности снижения мощности, потребляемой двигателем насоса, при регулировании скорости электропривода по сравнению с регулированием дроссельной заслонкой.

Характеристики магистрали с ненулевым статическим напором (с противодавлением) Н_с, выраженным в относительных единицах: h_с = Н_с/Н_н, изображены кривыми 3 и 4. При номинальном расходе и напоре насос работает в точке А, которой соответствует характеристика магистрали (кривая 3) и характеристика H (Q) насоса (кривая 1) при номинальной скорости двигателя. С уменьшением расхода при нерегулируемом электроприводе (на рис. 8.3, для примера, показан расход, составляющий 0,6Q_н , где Q_н – номинальный расход или подача) за счет дроссельного регулирования происходит изменение сопротивления магистрали (кривая 4), насос работает в точке В кривой 1, что приводит к возрастанию напора, который становится больше номинального. Мощность, потребляемая насосом, пропорциональна площади прямоугольника ODBF.

Рис. 8.3. Обоснование эффективности энергосбережения

при частотном регулировании асинхронного двигателя

по сравнению с регулированием заслонкой

При использовании регулируемого электропривода за счет снижения скорости при снижении расхода насос работает в точке С, что соответствует другой характеристике H(Q) (кривая 2) при неизменной характеристике магистрали (кривая 3). Мощность, потребляемая электроприводом в этом случае, пропорциональна OECF, что наглядно иллюстрирует возможности существенного снижения энергопотребления при внедрении регулируемых электроприводов насосов. Наилучшие технико-экономические показатели при регулировании скорости насосов обеспечивает система преобразователь частоты – асинхронный двигатель (ПЧ-АД), т. е. частотно-регулируемый асинхронный электропривод.

Качественная зависимость экономии мощности в функции от подачи (расхода) насоса Q при использовании систем ПЧ-АД вместо дроссельного регулирования показана заштрихованной областью на рис. 8.4.

На рис. 8.4 приведены следующие обозначения: Р/Р_н – относительная потребляемая мощность, Р_н – номинальная мощность двигателя, Q/Q_н – относительный расход, Q_н – номинальный расход, кривая 1 – потребляемая мощность при дроссельном регулировании, кривая 2 – потребляемая мощность при применении частотно-регулируемого асинхронного двигателя.

Относительный выигрыш ∆P_i* = ∆P_i /P_н в потребляемой мощности (∆P_i) при относительном расходе Q_i* = Q_i /Q_н.

Частота вращения ротора двигателя n = f (1–s)/p. Поэтому, регулируя частоту f, изменяем n. Но для сохранения постоянного магнитного потока при изменении f, необходимо регулировать напряжение по величине, т. к.

Ф = Е/к f ≈ U/к f ≈ const.

Это является требованием к преобразователям частоты для электропривода.

Рис. 8.4. Зависимость потребляемой мощности в функции расхода

при дроссельном регулировании (1) и частотном регулировании

асинхронного двигателя (2)

Существующие вентильные преобразователи частоты подразделяются: на преобразователи с непосредственной связью питающей сети и нагрузки (НПЧ) и на преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока.

НПЧ представляют собой три согласованно работающих реверсивных тиристорных преобразователя постоянного тока. НПЧ включается в статорную цель двигателя и служит для преобразования напряжения стандартной частоты в регулируемое в определенных пределах напряжение по величине и частоте (0-20 Гц). Используются для тихоходных безредукторных электроприводов средней и большой мощностей [17].

Электропривод с преобразователем частоты с промежуточным звеном постоянного тока представлен на рис. 8.5 [20].

Рис. 8.5. Схема силовых цепей частотно-регулируемого

асинхронного электро­привода:

SА – главный выключатель; FU – линейные предохранители; КМ – главный контактор; ZF1 – входной фильтр; LR1 – входной реак­тор; UD – выпрямитель; СВ – фильтр звена по­стоянного тока; UW – устройство торможения; UZ – автономный инвертор напряжения; LR2 – выходной реактор; ZF2 – выходной фильтр; M – асинхронный двигатель

ПЧ с неуправляемым выпрямителем (рис. 8.5) не обеспечивает двухсторонний обмен энергией между сетью и двигателем. При генераторном торможении отдаваемая АД энергия рассеивается в элементах инвертора и резисторе устройства торможения UW. Реактивная мощность Q на входе ПЧ пропорциональна квадрату выходного тока выпрямителя и величине реактивного сопротивления коммутирующего реактора.

Коэффициент мощности по основным гармоническим составляющим сетевого тока и напряжения К_м = РS ^-1. На практике К_м ≈ 0,9–0,98.

При активном (управляемом) выпрямителе обеспечивается не только рекуперативное торможение АД (при угле открытия тиристоров α больше 90 градусов), но и работа ПЧ с заданным коэффициентом мощности, например равном единице. Но такие преобразователи частоты дороже.

В прил. 6 представлены схемы частотного электропривода с автономным инвертором тока и с транзисторным инвертором напряжения. Преобразователи частоты с автономным инвертором, используемые в электроприводах, позволяют получить выходную частоту от долей герца до нескольких сотен герц. Свойства схем, их достоинства и недостатки изложены в [3, 20, 21].

Асинхронный электро­привод с ПЧ наряду с существенной экономией электроэнергии в статических режимах работы позволяет осуществлять плавный пуск и торможение. Прямой пуск АД сопровождается ударными моментами и токами в обмотках статора и ротора, значительно превышающими номинальные значения. Поэтому потери энергии в двигателе и потребление реактивной мощности при прямом пуске существенно возрастают.

Срок окупаемости для ПЧ на напряжение 0,4 кВ примерно 1,5–2 года при стоимости ПЧ 100–120 $ США на 1кВт регулируемой мощности. Стоимость качественных ПЧ для регулируемого электропривода на напряжение 6 кВ выше: 200–250 $ США (вместе с «растоможкой») на 1кВт регулируемой мощности. Стоимость устройства плавного пуска 55–80 $ США на 1 кВт мощности двигателя. Отметим, что в данной оценке ресурса энергосбережения не входит экономический эффект, связанный с повышением cosφ, с уменьшением потерь в линиях электроснабжения, с существенным повышением надёжности механического и электрического оборудования, увеличением срока его службы, сокращением аварийности трубопроводов и их элементов, уменьшением потерь нефти и повышением экологической безопасности производства.

Выводы

1. Обследование промышленных предприятий показывает, что существующее электрооборудование насосных и компрессорных станций морально и физически устарело. Оно не обеспечивает экономию энергоресурсов. Применяемое регулирование напора дросселированием относится к энергетически неэффективным способам. Прямой пуск двигателей насосов связан со значительными пусковыми токами и приводит к гидравлическим ударам, повышению аварийности трубопроводов и их элементов, увеличению потерь воды, нефти, и, как следствие, к снижению экологической безопасности.

2. При проектировании или при принятии решения о модернизации электрооборудования насосных станций необходимо, по нашему мнению, включить следующие основные технические решения:

– внедрение систем преобразователь частоты - асинхронный двигатель (ПЧ-АД) для плавного пуска и регулирования частоты вращения насосов;

– установку устройства плавного (мягкого) пуска для безударного запуска нерегулируемых электроприводов;

– установку программируемого контроллера для регулирования давления и подачи жидкости (нефти, воды), управления электрооборудованием насосных и компрессорных станций, автоматизации их работы и диагностики электрооборудования.

3. Переход на частотное управление электроприводами обеспечивает следующие преимущества:

– плавное бесступенчатое регулирование частоты вращения насосов во всём диапазоне, что позволяет поддерживать напор перекачиваемой жидкости на необходимом уровне;

– контролируемые плавный разгон и торможение двигателей существенно повышает надёжность механического и электрического оборудования, увеличивает срок его службы;

– повышение коэффициента мощности, т. к. преобразователь частоты практически не потребляет реактивной энергии;

– экономию электроэнергии, в связи с переходом на энергетически эффективный способ управления и отказом от регулирования напора дросселированием;

– широкие возможности программной настройки параметров электроприводов, контроля работы, диагностики неисправностей.

4. После рассмотрения отечественных и зарубежных данных, можно сделать вывод, что экономия энергоресурсов в насосных, вентиляционных и компрессорных агрегатах составляет 30–50 %. Несмотря на высокую стоимость хороших преобразователей частоты, срок окупаемости по научно-техническим публикациям, составляет 1–2 года. Исходя из опыта внедрения частотно-регулируемых асинхронных электроприводов, рекомендуем их устанавливать в первую очередь на части насосного оборудования, работающего с пониженными коэффициентами мощности.