2020-05-11
116
Одним из наиболее развивающихся направлений экономии электроэнергии, обеспечения надежного пуска мощных электрических машин и устойчивости электрооборудования современной промышленности является использование регулируемого электропривода на базе частотных преобразователей.
Частотный асинхронный преобразователь частоты служит для преобразования сетевого трёхфазного или однофазного переменного тока частотой 50 (60) Гц в трёхфазный или однофазный ток, частотой от 1 Гц до 800 Гц.
Промышленностью выпускаются частотные преобразователи электроиндукционного типа, представляющего собой по конструкции асинхронный двигатель с фазным ротором, работающий в режиме генератора-преобразователя, и преобразователи электронного типа.
Частотные преобразователи электронного типа часто применяют для плавного регулирования скорости асинхронных или синхронных двигателей за счет создания на выходе преобразователя электрического напряжения заданной частоты. В простейших случаях регулирование частоты и напряжения происходит в соответствии с заданной характеристикой V/f, в наиболее совершенных преобразователях реализовано так называемое векторное управление.
Частотный преобразователь электронного типа (рис. 1.2, 1.3) — это устройство, состоящее из выпрямителя (моста постоянного тока), преобразующего переменный ток промышленной частоты в постоянный, и инвертора (преобразователя) (иногда с ШИМ), преобразующего постоянный ток в переменный требуемой частоты и амплитуды. Выходные тиристоры (GTO) или транзисторы (IGBT) обеспечивают необходимый ток для питания электродвигателя.
Рис. 1.2. Функциональная схема преобразователя частоты, выполненного по схеме источника напряжения
Рис.1.3. Функциональная схема преобразователя частоты, выполненного по схеме источника тока
Тиристоры или транзисторы, входящие в состав электронных преобразователей частоты работают в режиме электронных ключей, управляемых микропроцессором, который обеспечивает, кроме того, решение большого количества вспомогательных задач (контроль, диагностика, защита).
В зависимости от структуры и принципа работы электрического привода выделяют два класса преобразователей частоты:
1. С непосредственной связью.
2. С явно выраженным промежуточным звеном постоянного тока.
Каждый из существующих классов преобразователей имеет свои достоинства и недостатки, которые определяют область рационального применения каждого из них.
Наиболее широкое применение в современных частотно регулируемых модулях находят преобразователи с явно выраженным промежуточным звеном постоянного тока. В преобразователях этого класса используется двойное преобразование электрической энергии: входное синусоидальное напряжение с постоянной амплитудой и частотой выпрямляется в выпрямителе, фильтруется фильтром, сглаживается, а затем вновь преобразуется инвертором в переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды. Двойное преобразование энергии приводит к снижению КПД и к некоторому ухудшению массо-габаритных показателей по отношению к преобразователям с непосредственной связью.
Для формирования синусоидального переменного напряжения используют автономный инвертор, который формирует электрическое напряжение заданной формы на обмотках электродвигателя (как правило, методом широтно-импульсной модуляции). В качестве электронных ключей в инверторах применяются запираемые тиристоры GTO и их усовершенствованные модификации GCT, IGCT, SGCT, и биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT.
Главным достоинством тиристорных преобразователей частоты, как и в схеме с непосредственной связью, является способность работать с большими токами и напряжениями, выдерживая при этом продолжительную нагрузку и импульсные воздействия. Они имеют более высокий КПД (до 98 %) по отношению к преобразователям на IGBT-транзисторах.
Несмотря на то, что преобразователи частоты являются нелинейной нагрузкой, создающей токи высших гармоник в питающей сети, что приводит к ухудшению качества электроэнергии, они позволяют значительно экономить электроэнергию.
Например, согласно данным [http://chistotnik.ru/preobrazovatel-chastoty-ekonomiya-elektroenergii.html] работа производственных учреждений различных отраслей (сельского хозяйства, городов, отопления, снабжения водой) может быть намного эффективнее при применении процесса автоматизации, использования в техпроцессах приводов и механизмов с регулятором на основе инверторов (частотников). Это можно увидеть, рассмотрев пример с агрегатом насоса на преобразователе частоты.
Если правильно выбрать агрегат, то мощность электродвигателя и расход обеспечивает нужное давление в отопительной системе, водоснабжения при наибольшем использовании воды. Это происходит утром и вечером. В другое время давление с избытком.
Расход воды регулируется на большой скорости мотора, но оборудование ненадежное и расходует много энергии. Лучшим методом для этого служит уменьшение оборотов мотора насоса при такой же нагрузке, применение датчика и частотника.
Вот график зависимости потребления электрической энергии от расхода:
На этой зависимости видно потребление воды за интервалы часов:
В разные часы потребление энергии и расход воды отличаются. Поэтому, очевиден эффект экономии при использовании преобразователей частоты. В результате смысл использования частотника очевиден
Здесь же [http://chistotnik.ru/preobrazovatel-chastoty-ekonomiya-elektroenergii.html] приводится следующий пример расчета экономической эффективности использования преобразователя частоты мощностью 45 кВт: Для того, чтобы определить экономию электроэнергии преобразователя частоты на производственных объектах пользуются такими факторами:
· а) экономия электрической энергии 20%;
· б) уменьшение затрат на текущий ремонт, управления и обслуживания;
· в) повышение срока службы электромотора;
· г) уменьшение размера тока запуска мотора номинальной нагрузкой и отсутствие негативного влияния на питающую сеть;
· д) мягкий запуск двигателя обуславливает исключение или значительное уменьшение действий датчика динамики на производство.
Расчет простого типа вычисления времени эффекта (срок окупаемости) частотного преобразователя осуществляется следующим образом:
Здесь Токупаемости – срок окупаемости; Спреобр – цена преобразователя управления частоты; Сэлек – цена электрической энергии; λ — коэффициент, по параметрам факторов б) ‑ г).
Опытным путем использования преобразователей частоты многие специалисты выяснили, что размер коэффициента λ зависит от постоянных параметров находится в интервале от 1,2 до 1,6.
Следовательно, время окупаемости для преобразователя на 45 кВт определим из следующих рассуждений.
Зная имеющийся интервал нагруженности, среднюю экономию электрической энергии берем 20%. На входе датчика частотного преобразователя присоединен выпрямитель сети без регулировки, механизм управления расходует энергию. Энергия реактивного типа нужна эксплуатации электромотора асинхронного типа, производится и обращается внутри механизма привода между емкостью накопления выпрямителя сети в векторном управлении и катушками двигателя посредством частотника. Реактивная энергия без считывающего датчика устройства.+
Подсчитаем экономию электроэнергии B в среднем за месяц (учитывая суточную эксплуатацию двигателя и 30 дней).
B = 720 часов х 45 (мощность) кВт х 20 % = 6 480 (мощность) кВт х час
Определим цену электрической энергии, которая сэкономлена – 2,95 рублей/кВт х час
Cэлек = 6480 кВт*час*2,95рублей/кВт*час = 19116 рублей.
Берем размер коэффициента λ за 1,2. Подсчитаем время окупаемости общезаводского частотного преобразователя А300 – 45 кВт, цена которого 78800 рублей:
В [https://eleksun.com.ua/blog/article/preobrazovateli-chastoty-kak-sposob-ekonomii-elektroenergii-na-proizvodstve] также приводится информация об экономии электроэнергии с помощью использования преобразователей частоты:
