Регулируемый электропривод, как средство энергосбережения

Как правило, необходимость регулирования скорости или момента электроприводов производственных ме­ханизмов диктуется требованиями технологического процесса. Например, скорость подачи резца определяет чистоту обработки детали на токарном станке, понижение скорости лифта необходи­мо для точного позиционирования кабины перед остановкой, не­обходимость регулирования момента на валу наматывающего устройства диктуется условиями поддержания постоянства уси­лия натяжения наматываемого материала и т. д.

Однако сущест­вует ряд механизмов, для которых изменение скорости по усло­виям технологии не требуется либо для регулирования исполь­зуются другие (не электрические) способы влияния на парамет­ры технологического процесса. В первую очередь к ним относят­ся механизмы непрерывного транспорта для перемещения твер­дых, жидких и газообразных продуктов: конвейеры, вентилято­ры, нагнетатели, насосные установки. Для этих механизмов в настоящее время используются, как правило, нерегулируемые асинхронные электроприводы, которые приводят в движение ра­бочие органы с постоянной скоростью независимо от загрузки механизмов. При неполной их загрузке как было отмечено ранее, режимы работы с посто­янной скоростью характеризуются повышенным удельным рас­ходом электроэнергии по сравнению с номинальным режимом.

Снижение скорости механизмов непрерывного транспорта при недогрузке позволяет выполнить необходимый объем рабо­ты с меньшим удельным расходом электроэнергии, т.е. решить чисто экономическую задачу по снижению энергоемкости техно­логического процесса перемещения продуктов. Обычно при сни­жении скорости таких механизмов экономический эффект появ­ляется также за счет улучшения эксплуатационных характерис­тик технологического оборудования. Так, при снижении скорости уменьшается износ тянущего органа транспортера, увеличивает­ся срок службы трубопроводов и арматуры за счет снижения давления, развиваемого машинами для подачи жидкостей и газов, а также устраняется избыточный расход этих продуктов.

Эффект в сфере технологии часто оказывается существенно выше, чем за счет экономии электроэнергии, поэтому принимать решение о целесообразности применения регулируемого электро­привода для таких механизмов, оценивая лишь энергетический аспект, принципиально неверно. Оценка эффекта в сфере техно­логии выходит за рамки данного пособия, поэтому ниже будут рассмотрены лишь пути снижения расхода электроэнергии меха­низмами непрерывного за счет регулирования скорости их электропри­водов и приведено несколь­ко конкретных примеров для сравнения эффектов за счет снижения электропотребле­ния и совершенствования технологического процесса.

Экономия электроэнергии в электроприводе возмож­на при использовании специфических схемных решений в его силовом канале или применении специальных энергосберегающих законов управления тради­ционных систем.

Рассмотрены наиболее характерные примеры энергосберегающих технических решений на уровне структурных и принципиальных схем элек­тропривода при его работе в установившихся режимах.

В реальных системах электропривода задача энергетической оптимиза­ции решается, как правило, совместно с другими, традиционными задачами: регулированием скорости, момента, положения и т. п. В приведенных ниже приме­рах, как правило, выделены лишь те элементы структуры и принципиальных схем, которые используются для повышения энергетической эффективности электроприводов.

Рисунок 2. Схема ленточного конвейера

Регулирование скорости конвейеров. На рисунке 2. показан ленточный конвейер, движу­щийся со скоростью J. Движение ленте передается от двигате­ля M через редуктор P и барабан Б. Момент на валу привод­ного двигателя конвейера

М = FR/(i_p h_p), (1)

где F - усилие на приводном барабане; R - радиус барабана;

i_p - передаточное отношение редуктора; h_p - КПД редуктора. Усилие F на барабане имеет две составляющие:

F = F_x + F_r, (2)

где F_x - усилие, затрачиваемое на перемещение ленты конвейе­ра; F_r - усилие, необходимое для перемещения груза.

Когда груз на конвейере отсутствует, двигатель развивает мо­мент холостого хода

М_x = F_xR/(i_p h_px), (3)

где h_{p x} - КПД редуктора, соответствующий усилию F_x.

Учитывая свойства механических передач, зависи­мость момента на валу двигателя от усилия на барабане можно представить следующим образом:

M_*= M_x*+ (1 - M_x*)F_r*, (4)

где M_* = М/М_н; M_x* = М_х/М_н; F_r*, = F_г / F_rн ', М_н - номинальный мо­мент на валу двигателя, необходимый для перемещения ленты и номинального груза при номинальной скорости; F_rн - состав­ляющая усилия F в тянущем органе конвейера, возникающая за счет перемещения только номинального полезного груза.

Составляющая F_r тянущего усилия и скорость перемещения v конвейера определяют его производительность:

Q_* = F_r*,J_* (5)

где Q_* = Q_/ Q_н; Q_н - номинальная производительность конвейера. При постоянной номинальной скорости конвейера (J_* = 1)

Q_*=F_r*, (6)

поэтому потребляемую с вала двигателя мощность можно запи­сать в виде

Р_* = М_* w_* + М_х* + (1 - М_х*) Q_* (7)

где Р_* = Р/Р_н; (w_* = w / w_н = 1; w = Ji_р/R);Р_н, w_н - номинальная мощ­ность и угловая скорость на валу дви­гателя.

Из (7) следует, что по мере сни­жения производительности эффектив­ность работы конвейера уменьшается, так как возрастает относительная до­ля мощности, расходуемой на преодо­ление момента холостого хода М_х. Более экономичным является ре­жим работы с переменной скоростью, обеспечивающей ту же производитель­ность, но при постоянстве составляю­щей усилия F_г=1.

В соответствии с (2.66) скорость в этом случае должна изменяться по закону

Рисунок 3. Зависимость мощ­ности на валу электродвига­теля от производитель-ности конвейера

w_* = J_* = Q_*, (8)

которому соответствует мощность на валу двигателя

Р¢_* = М_* w_* + М_х* + (1 - М_х*) Q_* = Q_* (9)

На рисунке 3 показаны зависимости мощности на валу двига­теля для конвейера с моментом холостого хода М_х = 0,3 М_н для постоянной (J = сопst) и регулируемой скоростей (F _r = сопst) передвижения грузов. Заштрихованная область на рисунке со­ответствует экономии мощности, получаемой за счет регулиро­вания скорости.

В общем случае этот эффект выражается следующим обра­зом: Р_D* = Р_* - Р¢_* = М_х* + (1 - М_х*) (10)

Из (2.68) видно, что эффект от регулирования скорости тем выше, чем больше момент холостого хода и чем значительнее снижается производительность конвейера.

Регулирование скорости лопастных машин. Центробежные механизмы для подачи жидкостей и газов (вентиляторы, насо­сы, нагнетатели, компрессоры) являются основными общепро­мышленными механизмами, обладающими в масштабах страны наибольшими потенциальными возможностями для значитель­ного сокращения удельного расхода электроэнергии. Особое по­ложение центробежных механизмов объясняется их массо­востью, большой мощностью, как правило, длительным режимом работы. Указанные обстоятельства определяют значительный удельный вес этих механизмов в энергетическом балансе страны.

Суммарная установленная мощность приводных двигателей насосов, вентиляторов, компрессоров составляет около 20% от мощности всех электростанций СНГ, при этом только вентиля­торы потребляют около 10% от всей электроэнергии, вырабаты­ваемой в нашей стране.

Эксплуатационные свойства центробежных механизмов пред­ставляются в виде зависимостей напора Н от расхода Q (так на­зываемая Q – H характеристика) и мощности Р от расхода Q. Вид этих характеристик весьма разнообразен и в большинстве случаев имеет сложное аналитическое описание. Анализ энергетических показателей центробежных механизмов наиболее удоб­но провести на примере низконапорного насоса, характеристики Н(Q) и Р(Q) которого приведены на рис.4. С достаточной точностью для инженерных расчетов они описываются соотноше­ниями

Н_* = Н_х* + (1 - Н_х*)Q²_*,,

P_* = P_х* + (1 - P_х*)Q_*, (11)

где Н_х* и P_х* - напор и мощность насоса при Q _*,= 0.

В установившемся режиме работы напор, создаваемый цент­робежным механизмом, уравновешивается напором гидро или аэродинамической сети, в которую он подает жидкость, или газ;

При турбулентном движении жидкости или газа характерис­тику сети обычно представляют в виде

Н_* = Н_с* + (1 - Н_с*)Q²_*,, (12)

где Н_с* - статическая составляющая напора, определяемая для насосов - геодезической разностью уровней потребителя и насо­са; для вентиляторов - естественной тягой для нагнетате­лей и компрессоров - давле­нием сжатого газа в сети (ре­зервуаре).

Точка пересечения Q – H характеристик насоса и сети определяет параметры Н=Н_н и Q = Q_н, которые приняты в качестве базовых. Регулирование подачи Q насоса, работающего с посто­янной скоростью, обычно осу­ществляется задвижкой на его выходе и приводит к измене­нию характеристики сети, в ре­зультате чего точке ее пересе­чения с характеристикой насо­са соответствует подача Q _А*<1.

Рисунок 4. Q – H -характеристики насосной установки

По аналогии с электрическими цепями регулирование рас­хода задвижкой подобно регулированию тока путем увеличения электрического сопротивления цепи. Очевидно, что такой спо­соб регулирования с энергетической точки зрения не эффекти­вен, так как сопровождается непроизводительными потерями энергии в регулирующих элементах (резисторе, задвижке). По­тери на задвижке характеризуются заштрихованной областью на рис. 4 -1.

Так же как и в электрической цепи, более экономично регули­рование параметров источника энергии, а не ее потребителя.

В электрических цепях при этом ток нагрузки снижается за счет уменьшения напряжения источника. В гидравлических и аэроди­намических сетях аналогичный эффект получается при уменьше­нии напора, создаваемого механизмом, что реализуется снижени­ем скорости его рабочего колеса.

При изменении скорости рабочие характеристики центробеж­ных механизмов видоизменяются в соответствии с законами по­добия, которые имеют следующий вид:

Q_* = w_*; Н_* = w_*²; Р_* = w_*³. (13)

Характеристика д на рисунке 4 обеспечивает требуемую пода­чу Q _А* и в соответствии с законами подобия описывается следую­щим образом:

Н_* = [ Н_х* + (1 - Н_х*)(Q_*/w_А*) ] w_А*², (14)

Совместное решение (2.71) и (2.72) позволяет определить скорость рабочего колеса насоса, при которой его характеристи­ка будет проходить через точку А:

w_А* = Ö (Н_с* + (Н_х* - Н_с*)Q²_А*,/ Н_х*. (15)

Анализ этого выражения для произвольных значений Q_* и w_* приводит к следующим выводам:

если Н_с* = 0, то w_А* = Q_А*, т. е. при отсутствии статической составляющей напора скорость рабочего колеса изменяется про­порционально подаче;

если Н_с* > 0, то w_А* > Q_А*,, т. е. при наличии статической со­ставляющей напора одинаковая подача обеспечивается при бо­лее высокой скорости, чем при Н_с* = 0;

минимальное значение скорости, при которой прекращается подача жидкости в сеть (Q_* = 0),

w_min* = Ö Н_с* / Н_х* (16)

откуда следует, что с увеличением статической составляющей напора уменьшается диапазон регулирования скорости насоса.

В соответствии с законами подобия выражение для потребля­емой насосом мощности при регулировании скорости имеет вид

P_* = [P_х* + (1 - P_х*)Q_*,/w_*]w_*², (17)

Из (2.73) следует, что при w_* = Q_* значения P_* = w_*³ и М _* = P_* / w_* = w_*². Квадратичная зависимость момента от скорости характерна в основном для вентиляторов, так как статическая составляющая напора, определяемая естественной тягой, сущест­венно меньше Н_х. При Н_с>0 (w_* > Q_*) значения P_* < w_* и М _*< w_*², т. е. при снижении скорости уменьшение мощности и момента оказывается большим, чем при Н_с* = 0. В технической литературе иногда используют приближенную зависимость момента от скорости, которая учитывает это свойство центро­бежного механизма:

М _* = w_*ⁿ (18)

где n = 2 при Н_c =0 и n > 2 при Н_c > 0. Показатель степени п можно рассчитать по известной методике. Расчеты и экспери­менты показывают, что n = 2 - 5, причем большие его значения характерны для компрессоров, работающих на сеть со значи­тельным противодавлением.

Анализ режимов работы насоса при постоянной и регулируе­мой скорости показывает, что избыточный расход энергии при (w = сопst) оказывается весьма существенным.

Регулируемый электро­привод позволяет значительно сократить расход потребляемой электроэнергии: до 66% в первом и до 41% во втором случае.

На практике этот эффект может оказаться еще более высоким, так как по различным причинам (отсутствие или неисправность задвижек, ручной привод) регулирование задвижками вообще не применяется, что приводит не только к повышению расхода элек­троэнергии, но и к избыточным напорам и расходам в гидравли­ческой сети.

На практике встречается параллельная работа центробежных механизмов, а сеть часто имеет переменные параметры. Напри­мер, аэродинамическое сопротивление шахтной сети изменяется при изменении протяженности забоев, гидродинамическое со­противление сетей водоснабжения определяется режимом водопотребления, который изменяется в течение суток, и т. д.

При параллельной работе центробежных механизмов воз­можны два случая: 1) одновременно и синхронно регулируется скорость всех механизмов; 2) регулируется скорость одного ме­ханизма либо части механизмов. Если параметры сети постоян­ны, то в первом случае все механизмы могут рассматриваться как один эквивалентный, для которого справедливы все приве­денные соотношения. Во втором случае напор нерегулируемой части механизмов оказывает на регулируемую часть такой же эффект, как противодавление, причем оно весьма существенно (Н_с >0,8), поэтому экономия потребляемой мощности здесь не превышает 10 - 15% от номинальной мощности машины.

Переменные параметры сети существенно усложняют анализ совместной работы центробежных механизмов с сетью. Энерге­тическую эффективность регулируемого электропривода в этом случае можно определить в виде области, границы которой со­ответствуют предельным значениям параметров сети и скорости центробежного механизма.