И снижения потребления реактивной энергии

Использование регулируемых электроприводов позволяет более эффективно использовать имеющиеся энергоресурсы. Наиболее внедряемым типом регулируемого электропривода в последние время является частотно-регулируемый асинхронный (и синхронный) электропривод – система преобразователь частоты - асинхронный двигатель (ПЧ-АД). Для решения отдельных производственных задач и энергосбережения находит применение система тиристорный преобразователь напряжения – асинхронный двигатель (ТПН-АД).

8.1. Системы электроприводов «тиристорный преобразователь напряжения – асинхронный двигатель»

Система ТПН-АД состоит из тиристорного преобразователя напряжения (ТПН) и асинхронного двигателя ( рис. 8.1 ). Она обеспечивает за счет регулирования по требуемому временному закону угла открытия тиристоров необходимый закон изменения во времени первой гармоники напряжения приложенного к двигателю: от минимального (нулевого) до максимального (номинального) значения.

Использование ТПН позволяет снизить энергопотребление недогруженного асинхронного двигателя при работе в зоне номинальной скорости, обеспечив его работу за счет ТПН на регулировочной (U ₁ < U _Н), а не естественной (U ₁ = U _Н) характеристике, где U ₁ – действующее значение первой гармоники напряжения, приложенного к двигателю; U _Н – действующее значение номинального напряжения сети.

Рис. 8.1. Схема силовой структуры системы ТПН-АД

Этот режим работы иллюстрирует рис. 8.2. Цифрой «1» обозначена естественная характеристика, цифрой «2» – регулировочная механическая характеристика при управлении от ТПН. М_н и М_с – номинальный момент двигателя и момент статической нагрузки; S ₁ и S ₂ – скольжение на естественной и регулировочной характеристиках при заданном М_с.

Время формирования питающего напряжения можно варьировать в широких пределах, к примеру, до нескольких минут. Системы плавного пуска позволяют ограничить до желаемого уровня моменты асинхронного двигателя в пусковых режимах, обеспечить управляемый («растянутый» во времени) пуск с заданным линейным и нелинейным темпом нарастания скорости, переходные процессы с постоянством тока статора (так называемую «отсечку по току статора»), значение которого может регулироваться.

Рис. 8.2. Естественная (1) и регулировочная (2) характеристики

асинхронного двигателя

Недостатком данного метода регулирования напряжения является тот факт, что работа АД на регулировочных характеристиках (при возрастании угла открытия тиристоров α) происходит в режиме прерывистого тока. В периодическом несинусоидальном токе кроме основной гармоники присутствуют нечетные гармоники (5-ая, 7-ая, 11-ая и т. д.). Высшие гармоники увеличивают потери в АД, снижается кпд. С ростом угла α увеличивается фазовый сдвиг 1-ой гармоники тока по отношению к напряжению сети, уменьшается cosφ.

Такие устройства, поэтому рекомендуется применять для плавного пуска вентиляторов, насосов, компрессоров и других устройств.

При прямом пуске асинхронных двигателей, когда двигатель сразу подключается к номинальному напряжению сети, возникают на начальном этапе запуска значительные моменты. Они в несколько раз превышающие уровни пусковых моментов, рассчитанных по статическим характеристикам, из-за возникновения повышенных нагрузок в кинематических передачах (особенно, когда момент двигателя в переходном режиме носит знакопеременный характер, а в механической части имеются люфты и зазоры). Это приводит к преждевременному износу и выходу из строя элементов кинематической передачи. Диаграмма скорости на участке разгона имеет колебательный характер, процесс сопровождается недопустимыми для ряда механизмов рывками и ускорениями; происходит значительное увеличение пусковых токов (по сравнению с расчетными значениями по статическим характеристикам), что может привести к недопустимым посадкам напряжения на питающих шинах, особенно при прямом пуске двигателей большой мощности и т. д. Системы плавного пуска позволяют ограничить до желаемого уровня моменты асинхронного двигателя в пусковых режимах, обеспечить управляемый («растянутый» во времени) пуск с заданным линейным и нелинейным темпом нарастания скорости; переходные процессы с постоянством тока статора (так называемую «отсечку по току статора»), значение которого может регулироваться.

Следует отметить:

1. Систему ТПН-АД также как систему реостатного регулирования скорости АД нельзя признать на современном этапе целесообразной для регулирования скорости при продолжительном режиме работы из-за низких энергетических показателей и существенного снижения КПД электропривода. Экономия электроэнергии при применении систем ТПН незначительна при регулировании скорости АД в установившихся режимах работы. Использование ТПН-АД в большинстве случаев определяется технологическими требованиями производственных механизмов (транспортеров, насосов, вентиляторов, конвейеров, лифтов и др.), требующих плавного пуска и ограничения ударных моментов, ускорений и рывков, возникающих при прямом подключении АД к сети. При использовании систем ТПН-АД для управления недогруженным асинхронным двигателем в зоне номинальной скорости экономия электроэнергии будет тем больше, чем меньше момент двигателя по сравнению с номинальным и чем больше время работы двигателя с недогрузкой. Эффект усиливается при использовании асинхронных двигателей с относительно высоким значением тока холостого хода статора.

2. При применении систем ТПН-АД, кроме решения технологических задач, оказывается возможным на 3–5 % снизить потери в асинхронных двигателях за счет ограничения уровня максимальных пусковых токов, обусловленных электромагнитными переходными процессами в машине. Использование плавного пуска асинхронного двигателя позволит снизить посадку напряжения в сети электроснабжения, повысить качество электроэнергии.

3. При неизменной частоте питания с понижением U при снижении скорости возрастает скольжение АД и, следовательно, потери в электроприводе.

4. Работа АД на регулировочных характеристиках при U ₁ < U _Н происходит в режиме прерывистого тока, что ведёт к появлению высших гармоник в токе и, следовательно, растут потери в электроприводе [6].

5. Чередование схем подключения статорной обмотки АД приводит к пульсациям момента двигателя.

6. ТПН является потребителем реактивной мощности. При напряжениях меньше номинального и неизменной скорости реактивная мощность может превосходить реактивную мощность при номинальном режиме.

7. При условии выбора только оптимальной продолжительности нарастания напряжения при использовании ТПН для пуска АД пусковые потери снижаются до 10–15 %. Эффект ощутим для двигателей средней и большой мощности.

8. На основании обследования электроустановок ряда предприятий рекомендуется в дипломном проекте рассмотреть вопрос об установке устройства плавного (мягкого) пуска для безударного запуска нерегулируемых электроприводов на насосных станциях, вентиляторах и т. д. На объектах рекомендуется устанавливать по одному устройству плавного пуска для поочередного запуска АД.

9. Экономический эффект от внедрения устройства плавного пуска, на наш взгляд, будет складываться из экономии не только (и не столько) электроэнергии, но из снижения эксплуатационных расходов, снижения аварийности трубопроводов и их элементов за счёт исключения гидравлических ударов, снижения потерь, например, нефти, и, как следствие, в повышении экологической безопасности. Оценить потенциал экономии при такой постановке вопроса без дополнительной проработки для конкретных установок сложно.

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, 6 Q _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.