Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Энергосбережение средствами электропривода и автоматики. Учебное пособие.pdf
Из (1.74) следует, что потери зависят от нагрузки и скольжения. Сколь-
0)
''
()
'
1(
0
2
2
0
21
2
0
2
1
0
=+−+=
Σ
r
r
x
rr
s
M
r
r
M
ds
dP
ω
ω
12
10
2
0
0
2
'
/
'
rr
rrx
x
r
s
опт
+
+
=
++=++≈++=
0
2
0
2
2
0
02
2
0
2
2
2
0
2
02
2
1
2
'
'3
'2')'(
r
sx
r
r
s
M
IIIIIIII
арра
ω
+++=++=
0
2
2
0
12
2
1
00
2
01211
''
'
133
sr
r
sx
rr
r
sr
MrIrIPP
апотр
ω
02
/' xrs
I
=
)/(1'
10
2
002
rrxxrs
P
+=
жение s
, соответствующее минимуму потерь, находится из условия:
опт
,
. (1.75)
Проведенный анализ позволяет сделать важный вывод: для обеспечения
минимальных потерь в двигателе необходимо при любых нагрузках поддерживать постоянное оптимальное скольжение, определяемое выражением (1.75).
Это свойство асинхронного двигателя позволяет обеспечить минимизацию потерь в системе автоматического регулирования с обратной связью по скольжению (или скорости).
Для исследования на экстремум выражений для тока статора и потребляемой мощности необходимо получить их зависимости от М и ω.
Исследование на экстремум выражения для тока статора (из схемы замещения и векторной диаграммы):
и активной потребляемой мощности:
, (1.77)
позволяет получить соотношения для скольжений, обеспечивающих:
- минимум тока статора:
, (1.76)
, (1.78)
- минимум потребляемой мощности:
41
. (1.79)
Рассматривая совместно выражения для скольжений s
IоптP
sss >>
, sI, sP, можно
опт
сформулировать следующее положение: любой из рассмотренных способов
энергетической оптимизации асинхронного двигателя — по минимуму потерь,
тока статора и потребляемой мощности — может быть реализован при поддержании постоянства скольжения асинхронного двигателя. Эти скольжения различны, причем
.
Возможность реализации любого из рассмотренных способов минимизации энергетических показателей путем поддержания постоянства скольжения
делает универсальной систему регулирования с обратной связью по скорости
(скольжению). Однако наличие датчика скорости (тахогенератора) является
существенным ее недостатком.
Альтернативным вариантом является регулирования по углу сдвига фаз
межу потребляемым током и напряжением питания двигателя. В такой схеме,
выходное напряжение ТПН регулируется регулятором угла (РУ), который
сравнивает заданное значение угла φ
ным косвенным образом датчиком угла (ДУ). В качестве заданного φ
устанавливаться любое значение, соответствующее скольжениям s
φ
между током и напряжением статора определяется по мгновенным значениям
1
с фактическим его значением φ1 измерен-
13
может
13
, sI, sP. Угол
опт
этих величин, измеренным датчиками ДТ и ДН. Так как в выходном напряжении
и токе ТПН присутствуют высшие гармонические, то на выходах ДТ и ДН вклю-
чены фильтры (Ф), выделяющие первые гармонические тока и напряжения статора АД. Рассмотренные условия и способы, обеспечивающие энергетическую
оптимизацию нерегулируемого по скорости асинхронного электропривода, справедливы для синусоидального напряжения статора и не учитывают влияние
насыщения асинхронного двигателя. Эти обстоятельства могут заметно повлиять
на количественную оценку энергетических показателей.
В публикациях, затрагивающих проблему энергетической оптимизации
асинхронных электроприводов с полупроводниковыми преобразователями,
указывается, что при средних нагрузках эффект от регулирования напряжения
повышается за счет перехода из насыщенного на линейный участок кривой
намагничивания; при малых нагрузках этот эффект понижается, так как по мере
снижения напряжения все более существенное влияние имеют дополнительные
потери, вызванные высшими гармоническими токов асинхронного двигателя.
42
2. ОСНОВНЫЕ ПУТИ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ
В первой главе были рассмотрены основные энергетические характеристики элементов электропривода и зависимости их свойств от режимов работы,
прежде всего, нагрузки. Исходя из этих характеристик, а также возможностей
влияния на электропривод, был сформулирован ряд путей осуществления энергосбережения средствами электропривода. Рассмотрим такие пути.
2.1. ЗАМЕНА МАЛОНАГРУЖЕННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ НА ДВИГАТЕЛИ МЕНЬШЕЙ МОЩНОСТИ
Этот путь применим к наиболее простому случаю электропривода – нерегулируемый привод с питанием электродвигателя непосредственно от сети переменного тока (или иного источника питания). Несомненное достоинство такой схемы – простота и надежность, но, в то же время, отсутствуют какие-либо
средства влияния на режим работы двигателя (либо электропривода в целом).
Чаще всего такие приводы используются на нагрузках со «спокойным» графиком и мало меняющейся мощностью. Это могут быть приводы вытяжных и
охлаждающих вентиляторов, компрессоров, некоторых насосов. Нередко такие
приводы применяются на станках, технология работы на которых не предполагает регулирования или точной стабилизации скорости, например, заточных.
Казалось бы, возможности по энергосбережению здесь отсутствуют. И
это действительно так, если двигатель работает с оптимальной нагрузкой, однако, на практике, это далеко не всегда так. Возможны случаи, когда двигатель
загружен мощностью, существенно ниже номинальной, и, по этой причине, работает в области низкого значения КПД. Причинами такой загрузки могут быть
следующие обстоятельства:
• установка была изначально неправильно спроектирована, выбран элек-
тродвигатель, мощность которого существенно выше реально требуемой;
• условия работы установки существенно изменились и потребность ее в
мощности со стороны двигателя упала. Например, вентилятор, был рассчитан
на протяженную систему вентиляции с многочисленными точками отбора загрязненного воздуха, а, в результате сокращения производства, точек отбора
стало существенно меньше, и загрузка двигателя снизилась;
• установка проходила ремонт с заменой двигателя, при этом был уста-
новлен двигатель, имеющийся в наличии, мощность которого выше требуемой.
43
Возможны и другие примеры. Во всех рассмотренных случаях двигатель
работает со стабильной недогрузкой, номинальная нагрузка или перегрузочный
режим не возникает никогда, что является отличительной чертой случая. Только при таких обстоятельствах может быть порекомендована замена ненагруженного двигателя на двигатель меньшей мощности.
Отдельно нужно рассмотреть вопрос экономической эффективности подобной замены. Во-первых, нужно определить ресурс энергосбережения — количество электроэнергии, которое может быть сэкономлено при замене. Здесь не
стоит ожидать огромных значений, так как экономия возникает только за счет
работы менее мощного двигателя в области более высокого КПД, и можно рассчитывать на экономию энергии порядка 5-10 % текущего потребления. Неверным, например, будет такое утверждение: «У нас двигатель мощностью 100 кВт
фактически загружен на 50 кВт. Мы заменим его на двигатель мощностью
50 кВт и получим экономию энергии в 2 раза!» Экономия энергии при такой замене будет, но будет обусловлена лишь более высоким КПД двигателя при полной загрузке, чем при половинной. Также, некоторую экономию принесет снижение реактивной мощности, но не о какой «экономии в разы» речь не идет.
Далее, нужно рассмотреть стоимость самой замены, которая включает в
себя приобретение нового двигателя, его доставку и монтаж, возможно, изготовление механических деталей для установки двигателя другого габарита. Все
эти затраты должны быть окуплены снижением затрат на электроэнергию, которые, как показано выше, могут быть не особо и большими.
2.2. ОГРАНИЧЕНИЕ ВРЕМЕНИ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ НА ХОЛОСТОМ ХОДУ
Случай похож на предыдущий, но не выполняется важное условие –
имеются режимы работы с высокой нагрузкой, соответствующей мощности
двигателя, и поэтому двигатель не может быть заменен на двигатель меньшей
мощности (он не выдержит режимы нагрузки, особенно, если они могут иметь
значительную длительность). Однако, такие режимы высокой нагрузки чередуются с режимами холостого хода.
Такой режим характерен, например, для ручных металлорежущих станков, заточных станков, гидравлических насосов, работающих на гидроприводы
с непостоянной нагрузкой и других промышленных механизмов с подобной
нагрузкой.
Режим холостого хода может длиться значительное время и приводить к
непроизводительным затратам электроэнергии.
44
Осуществить энергосбережение в таком приводе возможно путем искусственного ограничения времени работы двигателя в режиме холостого хода,
например, с помощью реле времени. Подобное решение нередко можно встретить в металлорежущих станках, где пускатель двигателя принудительно отключается реле времени в случае, когда станок работает без нагрузки время,
превышающее выдержку реле.
Проблемой построения такой автоматики является обнаружение режима
холостого хода двигателя, которое, при электрическом измерении тока статора,
может дать ложное срабатывание. Например, в токарных станках режимом холостого хода двигателя считается работа с разомкнутой фрикционной муфтой,
положение которой отслеживается концевым выключателем.
Естественно, необходимо рассмотреть экономическую сторону вопроса,
обоснованность ограничения времени холостого хода. В ряде работ указывается, что выбирать время выдержки реле времени следует из условия, что приведет к меньшей потере энергии: работа на холостом ходу в течении данного
времени или потери переходного процесса при повторном пуске двигателя. Дополнительным аргументом в пользу отказа от данного пути (при близких значениях расхода энергии) будет снижение количества пусков двигателя, износа
пусковой аппаратуры, уменьшение колебания напряжения в сети.
2.3. ПИТАНИЕ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ РЕГУЛИРУЕМЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ
Данный путь является реализацией управления потоком двигателя в нерегулируемом приводе, то есть при неизменной сетевой частоте. Для реализации
могут быть использованы схемы оптимизации двигателя переменного тока
(раздел 1.6.2) совместно со средствами регулирования напряжения, например,
тиристорным регулятором. На практике возможны и более простые решения,
когда напряжение статора задается неизменным, исходя из реальной нагрузки.
Кроме тиристорного регулятора могут применяться, например, автотрансформаторы или подключение двигателя к отводу питающего трансформатора, однако, это все частные решения.
При регулировании напряжения возможны два случая нагрузки двигателя: двигатель недогружен постоянно и имеются периоды полной нагрузки. Во
втором случае требуется возможность подачи полного напряжения на двигатель, например, включением шунтирующего контактора. Такое включение может выполняться автоматически по повышению тока двигателя, однако, рацио-
45
нальнее, когда включение делается заблаговременно при известном моменте
полного нагружения привода.
В первом же случае, когда имеется постоянная неполная загрузка, следует
в первую очередь рассмотреть вопрос замены двигателя на двигатель меньшей
мощности. Применять регулирование напряжения следует, только если такая
замена невозможна или экономически не оправдана.
Вообще же, подобные системы регулирования напряжения статора только с целью энергосбережения не получили широкого распространения ввиду
сложности и высокой стоимости применяемой аппаратуры. Этим и объясняется
наличие частных решений под конкретный случай.
2.4. ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕ ОБМОТОК ДВИГАТЕЛЯ С ТРЕУГОЛЬНИКА НА ЗВЕЗДУ
Представляет собой одну из «дешевых» реализаций предыдущего пути.
Основан не на изменении напряжения, подаваемого на двигатель, а на «изменении» номинального напряжения двигателя. Может быть реализован, только если при номинальном напряжении используемой сети обмотки статора включены в треугольник. То есть, если используется сеть 380 В, то необходим двигатель на напряжение 380/660 В, на двигателе 220/380 В такой путь нереализуем.
При переключении обмоток на напряжение 660 В и подаче напряжения
380 В оказывается, что двигатель работает в ослабленным полем и развивает
момент в 3 раза ниже номинального. Если загрузка двигателя по моменту не
превышает этой величины, то метод может быть применен, в противном случае
возможен перегрев двигателя.
Поскольку регулирование напряжения происходит грубой ступенькой,
говорить об оптимизации потока не приходится, вопрос лишь в том, в какой из
схем соединения поток окажется ближе к оптимальному.
Данный путь получил относительное практическое распространение в
приводах машин, где имеются периоды работы с недогрузкой и с полной
нагрузкой. Типичным примером такого привода является эскалатор метрополитена, где мощность привода рассчитывается исходя из полной загрузки эскалатора пассажирами, однако полная загрузка встречается только в часы пик, тогда
как в остальное время эскалатор может работать почти в холостую.
Кроме того, работа на пониженном напряжении приводит к меньшим затратам реактивной энергии.
46
2.5. ВНЕДРЕНИЕ РЕГУЛИРУЕМОГО ПРИВОДА
При переходе от нерегулируемого привода к регулируемому, во-первых,
становятся доступны все ранее рассмотренные способы оптимизации потока двигателя, и, во-вторых, появляется возможность осуществлять энергосбережение за
счет регулирования процесса, который привод обслуживает. Причем именно эта
составляющая нередко и реализует основной ресурс энергосбережения.
Типичным примером внедрения регулируемого электропривода с целью
энергосбережения является привод подкачивающего насоса для подачи воды в
высотный жилой дом. Так как потребность в воде сильно изменяется во времени, и максимальная потребность бывает относительно кратковременно, большую часть времени насос будет развивать избыточный напор, который затем
придется дросселировать у потребителя. При применении регулируемого электропривода насоса он большую часть времени работает на пониженных оборотах, достаточных только для поддержания требуемого давления на выходе. Когда разбор воды растет, давление на выходе насоса падает и система авторегулирования поднимает обороты для поддержания неизменного давления.
За счет работы двигателя на пониженных оборотах и с пониженным моментом нагрузки в данном приводе можно реализовать управление и оптимизацию потока с целью уменьшения потерь энергии в самом двигателе. Однако основной ресурс энергосбережения в данном случает связан с самим насосом: при
ликвидации избыточного напора уменьшается мощность, потребляемая насосом от двигателя.
Дополнительно в данном случае достигается улучшение работы системы
водоснабжения: за счет снижения избыточного напора уменьшаются потери
воды от утечек, снижается частота аварий.
Таким образом, при внедрении регулируемого электропривода основного
эффекта энергосбережения следует ожидать от самого технологического процесса, а не от снижения потерь в электроприводе.
47
3. ПРИМЕРЫ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ РЕШЕНИЙ В ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ
3.1. ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ В СИСТЕМАХ ВОДОСНАБЖЕНИЯ
Особенность коммунального водоснабжения в том, что расход воды является существенно переменой во времени величиной, для которой характерны
как пики (утренний, вечерний), так и длительные провалы (ночью).
Кроме того, характеристика сети водоснабжения содержит сравнительно
небольшую геодезическую составляющую, и значительную составляющую
гидравлического сопротивления.
Все это позволяет эффективно осуществлять регулирование производительности насосной установки с помощью регулируемого электропривода. Регулирование обычно осуществляют в режиме поддержания неизменного давления на выходе насосной установки в условиях меняющегося расхода.
Дополнительно, насосные станции коммунального водоснабжения часто
содержат несколько насосов, работающих параллельно. Это позволяет использовать также регулирование изменением числа работающих насосов, применив
регулируемый электропривод только для одного из них.
В настоящее время частым решением по управлению подобными насосными установками являются типовые станции управления, которые содержат
преобразователь частоты с регулятором давления, набор контакторов для подключения двигателей насосов к преобразователю частоты либо напрямую к сети и контроллер, управляющей работой всей системы. Подобные станции
управления выпускаются серийно и рассчитаны на различное количество параллельно работающих насосных агрегатов.
Как правило, основным элементом такой станции является преобразователь частоты для питания асинхронного двигателя насоса с возможностью регулирования. Регулирование производится встроенным регулятором преобразователя частоты по сигналу с датчика давления на выходе насоса. Для подключения датчика давления используется один из стандартных аналоговых
интерфейсов, например, токовый 4–20 мА. Дополнительно, станция содержит
аппаратуру защиты, включения байпаса, обеспечения работы от основного или
резервного источника питания и т. п.
Более сложные варианты станций управления (рис. 3.1), рассчитанные на
работу с двумя и более насосами, содержат также управляющий промышленный
логический контроллер (ПЛК) и ряд контакторов, обеспечивающих подключение
48
отдельных насосов к преобразователю частоты либо их прямой пуск от сети. Дополнительно такие станции могут иметь функцию программного задания давления на выходе, удаленного мониторинга и управления через сеть интернет.
а б
Рис. 3.1. Общий вид (а) и функциональная схема (б) станции
управления тремя насосами с общим преобразователем частоты
Похожие решения находят применение и в системах магистрального водоснабжения — насосных станциях, обеспечивающих водой целые города или
их значительные части. Такие станции, как правило, содержат три и более насосов, работающих параллельно, причем мощность этих насосов требует применения высоковольтных двигателей. Кроме того, такие насосные станции являются ответственными объектами и к надежности их функционирования предъявляются повышенные требования. В связи с чем имеются резервные насосные
агрегаты, позволяющие сохранять работоспособность при аварии или выводе в
ремонт как минимум одного насоса. Электроснабжение подобных станций
осуществляется минимум от двух независимых источников, а схема внутреннего электроснабжения строится таким образом, чтобы иметь возможность питания каждого агрегата от любого из источников.
Учитывая эти особенности, на подобных станциях основным способом
регулирования следует ожидать изменение числа параллельно работающих
49
насосов. Дополнительный эффект экономии энергии может быть получен за
счет внедрения частотного регулирования скорости как минимум одного из
насосов. Для такого регулирования потребуется преобразователь частоты высокого напряжения, наиболее перспективным видом которого в настоящее время
является преобразователь с многообмоточным трансформатором (рис. 3.2). Эти
преобразователи в настоящее время представляют компромиссное решение
между сложностью реализации и КПД, а в ряде случаев, имеют и лучший КПД.
Рис. 3.2. Упрощенная схема и общий вид высоковольтного
преобразователя частоты с многообмоточным трансформатором
50