Регулируемый электропривод, как средство энергосбережения

Все электроприводы за исключением многочисленных мало­мощных (доли киловатт) электроприводов бытовой техники можно условно разделить на две большие группы.

Первая используется в агрегатах, обслуживающих технологи­ческие процессы, неосуществимые без тонкого управления тех­нологическими координатами, например, прокатные станы, бу­магоделательные машины, металлообрабатывающие станки, ро­боты и т.д. К этой группе относятся не более 10 % всех электро­приводов, она всегда пользовалась вниманием специалистов, и в ней как правило, уже осуществлены современные эффективные технические решения.

Вторая группа (около 90 % всех электроприводов) использует­ся в простых агрегатах - насосах, вентиляторах, транспортерах, конвейерах и т.д. Этой группе до недавнего времени уделялось мало внимания, так как в подобных агрегатах обычно использу­ются самые простые электроприводы с невсегда правильно выб­ранными двигателями, но именно в этой группе содержится гро­мадный резерв энерго - и ресурсосбережения.

Это связано главным образом с объективно существующим противоречием: подавляющее большинство таких электроприво­дов (более 95 %) нерегулируемые, а обслуживаемые ими техно­логические процессы, как правило, нуждаются в управлении ка­кими-либо технологическими координатами: скоростью, давле­нием, расходом, температурой и т.д. Это управление осуществля­ется энергетически неэффективно и приводит к большим поте­рям энергии, порождает несовершенство самого технологическо­го процесса, снижает производительность, надежность и каче­ство продукта.

Характерным примером может служить повсеместно исполь­зуемый нерегулируемый асинхронный электропривод насосных станций водоснабжения зданий. В большинстве случаев он создает избыточный, не требуемый в данный момент напор, т.е. подво­дит к гидравлической системе лишнюю, бесполезную мощность. За впустую истраченную энергию платит потребитель, кроме того, избыточный напор приводит за счет возрастания утечек к боль­шим потерям воды (7-9% на каждую лишнюю атмосферу), гидравлическим ударам при пуске системы, разрывам труб, лиш­нему шуму и т.д. Аналогичные последствия применения простейшего электропривода можно обнаружить во многих техноло­гических процессах.

Цена электроэнергии, потребляемой ежегодно средним дви­гателем в промышленности, в 5 раз превосходит цену двигателя. Очевидно, что за время службы двигателя (10-20лет) энергети­ческая составляющая в десятки раз превысит составляющую, свя­занную с капитальными затратами, в связи с чем забота об опти­мизации именно энергетической составляющей является особен­но важной.

Возникает вопрос: почему до сих пор в развитых странах мира, включая, конечно, Казахстан, большое количество дорогой энергии расхо­дуются бесполезно?

Причины этого можно разделить на технические, экономичес­кие и организационно-психологические.

Технические: до недавнего времени не было доступных и эф­фективных средств энергосбережения в электроприводе. В 1980 - 1990-е годы такие средства благодаря успехам силовой и инфор­мационной электроники появились, но и после этого в ЕС и США ими оборудовано 5-10 % всех электроприводов.

Экономические; энергосберегающее оборудование немало стоит, оно иногда в разы дороже двигателя, а экономия проявится поз­же, во время эксплуатации. Некоторые специалисты отмечают, что часто лица, отвечающие за приобретение оборудования и его эксплуатацию, работают в разных отделах компании и име­ют различные интересы: первые экономят бюджет фирмы на ста­дии приобретения оборудования, а вторые вынуждены мирить­ся с его энергетической неэффективностью. Кроме того, междупоставщиками оборудования и конечными пользователями обыч­но есть несколько посредников со своими интересами.

В жилищно-коммунальном хозяйстве городов, где особенно велик потенциал энергосбережения, значительная доля затрат покрывается из бюджета города, поэтому фактическая экономия ресурсов приводит к снижению дотаций, не образуя реальных средств экономии на счету эксплуатационных служб района. От­сутствие экономической заинтересованности, как у поставщиков, так и потребителей энергоресурсов - причина медленного вне­дрения энергосберегающей технологии.

Организационно-психологические: как правило, пользователь не хочет иметь какие-либо риски, связанные с на­дежностью новых технологий, если нормально функционируетстарое оборудование. Ни один бизнесмен не станет вмешиваться в хорошо работающее производство, если единственным аргу­ментом служит экономия энергии. Он сделает это только по тех­нической необходимости: либо для увеличения производитель­ности, либо для повышения качества продукта [3,4].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 в самом электроприводе, 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.

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

Рисунок 2- Схема ленточного конвейера

, (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:

, (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

, (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:

, (4)

где ;;, 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:

_, (5)

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

, (6)

поэтому потребляемую с вала двигателя мощность можно запи­сать в виде

, (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 (6) скорость в этом случае должна изменяться по закону

, (8)

которому соответствует мощность на валу двигателя,

. _. (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 (F _r = сопst) скоростей передвижения грузов. Заштрихованная область на рисунке соответствует экономии мощности, получаемой за счет регулирования скорости.

В общем случае этот эффект выражается следующим образом:

. (10)

Рисунок 3 - Зависимость мощности электродвигателя от производительности конвейера

Из (10) 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 рисунке 4.

Рисунок 4 - Q – H - характеристики насосной установки

С достаточной точностью для инженерных расчетов они описываются соотношениями

,

, (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

, (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. 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 рисунке 4.

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:

(13)

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

, (14)

Совместное решение (13) и (14) позволяет определить скорость рабочего колеса насоса, при которой его характеристи­ка будет проходить через точку А:

. (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),

, (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

.(17)

Из (17) 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:

, (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:

а) одновременно и синхронно регулируется скорость всех механизмов;

б) 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.