общие мероприятия по энергосбережению в электроприводах промышле. Общие мероприятия по энергосбережению в электроприводах промышленных установок
 Скачать 222.44 Kb.
|
|
Общие мероприятия по энергосбережению в электроприводах промышленных установок Эффективное использование энергии является одной из важнейших проблем народного хозяйства. Ее решение позволит снизить потребление энергетических и материальных ресурсов при производстве промышленной и сельскохозяйственной продукции, уменьшить большие непроизводительные расходы государства и населения в сфере жилищно-коммунального хозяйства, улучшить экологическую обстановку в стране. Важную роль в решении этой проблемы играет электропривод, который является основным потребителем электрической энергии. В общем случае энергосбережение может осуществляться как в самом ЭП, так и в обслуживаемых им технологических процессах, где используется вырабатываемая им механическая энергия. При этом применение регулируемого ЭП позволяет обеспечить при реализации многих технологических процессов энергосбережение, иногда во много раз превосходящее экономию энергии в самом ЭП. Например, регулирование скорости ленты транспортера за счет ЭП, подающего детали в закалочную печь, позволяет минимизировать количество тепловой энергии на их закалку в зависимости от их сортамента, технологии закалки и других факторов. Весьма эффективно регулируемый по скорости ЭП может обеспечить энергосбережение в таких рабочих машинах, как насосы, вентиляторы и компрессоры. Поскольку эти рабочие машины широко используются в промышленности, на транспорте, в сельском и в жилищно-коммунальном хозяйстве, потребляя по различным оценкам 30—40% вырабатываемой электроэнергии, энергосбережение в этой сфере средствами ЭП оказывается очень эффективным. Энергосбережение в ЭП может быть достигнуто как на стадии его проектирования и конструирования, так и при эксплуатации ЭП. Проектирование и конструирование ЭП должно соответствовать современному уровню развития теории и практики ЭП и смежных областей науки и техники — электромеханики, электроники, автоматики, механики и вычислительной техники. Энергосбережение при этом может осуществляться следующими методами и средствами. 1. Обоснованный расчет требуемой мощности двигателя исполнительного органа рабочей машины или производственного механизма с учетом всех условий его работы. В подразделах 9.3 и 9.4 было показано, что двигатель завышенной мощности имеет низкие энергетические показатели работы и при этом также имеет место недоиспользование заложенных в него материальных ресурсов. С другой стороны, применение двигателя недостаточной мощности снижает производительность технологического оборудования, приводит к перегрузке двигателя и преждевременному выходу его из строя. Подробно процедура расчета мощности и выбора двигателя рассмотрена в главе 10. 2. Выбор силовых элементов ЭП, характеризующихся при работе минимальными потерями энергии. В первую очередь это относится зоо к выбору двигателей, в отношении которых можно назвать следующие возможности энергосберегающих решений: • применение энергосберегающих двигателей, в которых за счет увеличенных объемов активных материалов (меди и стали) потери мощности снижены не менее чем на 15—20%. В российских каталогах такие двигатели имеют в обозначении букву «е»; • применение двигателей с уменьшенным моментом инерции ротора (якоря), в которых в соответствии с формулой (9.25) имеет место пониженный уровень потери энергии в переходных процессах. К таким двигателям относятся двигатели с удлиненным ротором (например, асинхронные двигатели краново-металлургической серии 4МТ и 4МТК) и двигатели с полым ротором (якорем). Снижение момента инерции ЭП можно получить при использовании вместо одного двигателя двух двигателей половинной мощности на ту же скорость вращения. Задачу энергосбережения решает применение имеющих высокий КПД полупроводниковых преобразователей и механических передач с небольшими потерями мощности. 3. Ориентирование на применение регулируемого ЭП по системе «преобразователь — двигатель», что позволяет реализовывать экономичные способы регулирования переменных ЭП в установившихся и переходных режимах. В количественном отношении получаемый эффект энергосбережения в переходных процессах рассмотрен в подразделе 9.2. 4. Выбор рациональных способов и технических средств регулирования переменных ЭП, использование которых не вызывает дополнительных потерь энергии при его работе. К таким способам относится, например, регулирование скорости двигателей переменного тока с помощью полупроводниковых преобразователей частоты, рассмотренное в подразделах 5.4 и 6.2. При эксплуатации электроприводов энергосбережение может быть достигнуто за счет правильного технического обслуживания и проведения мероприятий по их модернизации. Техническое обслуживание ЭП должно проводиться персоналом в соответствии с правилами устройства и эксплуатации электроустановок и предусматривать периодические осмотры и профилактические мероприятия по элементам ЭП — смазку подшипников и других движущихся механических частей двигателя и механической передачи, очистку коллекторов и контактных колец двигателей и контактов электрической аппаратуры, затяжку болтовых электрических соединений и т.д. Энергосбережение в эксплуатируемых ЭП может достигаться их модернизацией, возможные способы и средства которой рассмотрены в подразделах 9.3 и 9.4. Наибольшие возможности по энерго- и ресурсосбережению как при проектировании новых, так и при модернизации действующих электроприводов предоставляют регулируемые электроприводы. Рассмотрим возможности энерго- и ресурсосбережения при использовании электроприводов переменного тока по системе «тиристорный регулятор напряжения — асинхронный двигатель» и «преобразователь частоты — асинхронный двигатель», получающих все более широкое распространение на практике для рабочих машин и производственных механизмов массового применения. В системе «тиристорный регулятор напряжения — асинхронный двигатель» возможность энергосбережения при использовании тиристорных регуляторов напряжения иллюстрируют графики на рис. 9.7, а, представляющие собой зависимости тока статора асинхронного двигателя 1Х от напряжения Ux при разных моментах нагрузки Мс. При каждой нагрузке имеется такое напряжение, при котором потребляемый двигателем ток минимален. При этом важно отметить два обстоятельства: точка минимума соответствует напряжениям меньше номинального, а минимизация тока происходит за счет снижения реактивной составляющей тока. Штриховая линия на рис. 9.7, а, проведенная через точки минимумов тока для каждой нагрузки, определяет закон регулирования напряжения в функции тока, при реализации которого при любом Мс из сети потребляется минимальный ток. Схема ЭП с минимизацией потребляемого двигателем тока приведена на рис. 9.7, б. В его состав входят асинхронный двигатель АД, тиристорный регулятор напряжения ТРН с системой управления СУ ТРИ, датчики тока ДТ и напряжения ДН, функциональный преобразователь ФП и инерционное звено ИЗ. Требуемый закон управления ЭП реализуется с помощью положительной обратной связи по току. Датчик тока вырабатывает про-  Рис. 9.7. ^-образные характеристики (а) и схема асинхронного ЭП (б) при минимизации потребляемого тока порциональный току сигнал, поступающий на вход функционального преобразователя, который обеспечивает требуемую зависимость между подаваемым на двигатель напряжением и моментом нагрузки на его валу (штриховая линия на рис. 9.7, а). В системе используется инерционное звено, с помощью которого обеспечивается необходимое качество переходных процессов. В общем случае за счет регулирования напряжения на статоре двигателя при малых нагрузках или холостом ходе могут быть снижены ток, потребляемая из сети мощность, потери мощности или повышены его КПД и coscp. На рис. 9.8 для примера показаны построенные для двигателя типа 4А180М4 мощностью 30 кВт зависимости КПД г), coscp, относительных тока статора I * = 1{ / /]ном и потерь мощности АР* = АР / АРном от относительного напряжения на статоре U* = Ul / t/j при моменте нагрузки, составляющем 20% от номинального. Приведенные кривые показывают, что наибольших значений эти переменные достигают при напряжениях 60—80% от номинального, причем точки экстремума для рассматриваемых энергетических показателей в общем случае не совпадают. Экстремальные значения энергетических показателей достигаются при работе двигателя с определенными оптимальными скольжениями. Так, для обеспечения минимума потребляемого тока статора при любых нагрузках асинхронного двигателя его скольжение должно поддерживаться на уровне  Формулы для расчета оптимальных скольжений при оптимизации других рассмотренных переменных содержатся в [8J. Поддержание  Рис. 9.8. Зависимости КПД, коэффициента мощности, тока и потерь мощности асинхронного двигателя от напряжения на статоре скольжения на требуемом оптимальном уровне может быть получено в системе с отрицательной обратной связью по скорости (схема на рис. 5.39, а), что наряду со схемой на рис. 9.7, б позволяет реализовать наилучшие энергетические показатели работы ЭП. Помимо применения для решения задачи энергосбережения тиристорные регуляторы напряжения широко используются в качестве так называемых «мягких» пускателей, или «мягких» стартеров. За счет постепенного повышения подаваемого на двигатель напряжения при пуске они обеспечивают ограничение пусковых токов и моментов асинхронных и синхронных двигателей. При этом не происходит снижения потерь энергии в двигателе, поскольку не изменяется скорость вращения магнитного поля, но вследствие ограничения тока и момента существенно снижаются усилия, действующие на проводники обмоток двигателей, их подшипники и на элементы механической передачи и исполнительного органа рабочих машин. За счет этого повышается надежность работы электропривода и технологического оборудования, уменьшается количество ремонтов, что в конечном итоге ведет к экономии энергетических и материальных ресурсов. Система «преобразователь частоты — асинхронный двигатель». Ранее было отмечено, что регулирование скорости асинхронных двигателей при использовании преобразователей частоты не сопровождается дополнительными потерями мощности, а применение частотно-управляемых пуска и торможения двигателей обеспечивает снижение потерь энергии в переходных процессах и возможность ее рекуперации в сеть при торможении. Рассмотрим энергосбережение на примере частотно-регулируемого ЭП центробежного насоса. Особенностью работы многих насосных установок является изменение количества (расхода) подаваемой ими потребителю жидкости (воды). Например, потребление воды в жилых зданиях меняется в течение суток, что иллюстрирует (рис. 9.9) характерный для них суточный график расхода воды ?)(/), имеющий два максимума — утренний и вечерний. Основной характеристикой насоса является зависимость создаваемого им напора (давления) Нот расхода воды Q. На рис. 9.10 показаны эти характеристики для двух скоростей приводного двигателя — номинальной со и пониженной o)j. Рассмотрим с их помощью возможности энергосбережения при использовании регулируемого ЭП насосных установок, работающих с переменным расходом Q. Допустим, что в исходном положении насос работал на характеристике I с номинальными расходом QH0M и напором // в точке /. При снижении расхода воды до значения Q2 при неизменной скорости ЭП напор насоса в соответствии с характеристикой возрастет до  Рис. 9.9. График суточного водопотребления для жилого здания  Рис. 9.10. Характеристики насоса значения Я2. Для создания этих напора и расхода ЭП будет потреблять из сети мощность  где р — плотность воды, р = 1000 кг/м3; g — ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с2; г|н, г|эп — соответственно КПД насоса и ЭП. Тот же расход воды может быть обеспечен при меньшем напоре Яр если используется регулируемый ЭП, который позволяет снизить скорость насоса до уровня сог В этом случае насос будет работать в точке 3 на характеристике II и из сети будет потребляться (при тех же КПД насоса и ЭП) меньшая мощность  Экономия электроэнергии ЭЭ за время работы Т насоса с расходом Q-, при тех же значениях КПД насоса и ЭП при этом составит:  Примеры реализации регулируемого ЭП насосов показывают, что экономия электроэнергии в системах водоснабжения может доходить до 50% и более в зависимости от вида и режимов работы насосных установок. Кроме того, работа сетей с меньшими напорами будет характеризоваться и меньшими утечками воды в сетях и арматуре, достигающими иногда 15—20% и более. Применение регулируемого ЭП позволяет также за счет частотно-управляемых плавных пуска и торможения насосного агрегата устранить такое нежелательное явление, как гидравлические удары в гидравлической системе. На основе преобразователей частоты может быть при необходимости реализована замкнутая система регулирования (поддержания) напора жидкости в заданной точке гидравлической системы. С этой целью выпускаемые для насосных установок преобразователи частоты имеют встроенный регулятор и задатчик давления и вход для подключения датчика давления. Пример реализации такой системы показан на схеме рис. 9.11. Схема предназначена для поддержания в магистрали давления воды, перемещаемой насосом. Она включает в себя асинхронный двигатель АД, преобразователь частоты ПЧ с регулятором давления РД, задатчик ЗД и датчик ДД давления, обеспечивающий отрицательную обратную связь по давлению в магистрали. Схема работает следующим образом. При изменениях давления в магистрали, вызванных изменением расхода воды, происходит изменение сигнала управления U = U3д — Ялл: при снижении давления этот сигнал увеличивается, а при увеличении давления снижается. Это приводит к соответствующему изменению частоты напряжения t/j, скорости со АД и к восстановлению заданного уровня давления (характеристика III на рис. 9.10). При использовании ПИ- регулятора давление в магистрали в статическом режиме будет поддерживаться на постоянном уровне. Задача 9.14*. Насос обеспечивает водоснабжение здания и в течение года работает с номинальным расходом Q = 0,014 м3/с и напором Яном = м в течение времени Тр[ = 1600 ч, с расходом 0, = 0,0056 м3/с в течение времени Гр2 = 4000 ч и с расходом Q2 = 0,0028 м3/с и напором Я2 = 62 м в течение времени Гр3 = 2400 ч. Насос приводится во вращение асинхронным двигателем, имеющим КПД г|дд = 88%. КПД насоса г|н = 63%. Определить экономию электроэнергии при использовании регулируемого электропривода. Принять, что КПД насоса при изменении его расхода и двигателя при регулировании его скорости не изменяются. Экономию электроэнергии находим, сопоставляя потребление электроэнергии нерегулируемого и регулируемого по скорости электропривода. КПД насоса и ЭП примем неизменными и равными номинальным.  Рис. 9.11. Замкнутая схема регулирования давления 1. Нерегулируемый по скорости электропривод. Для каждого уровня расхода Q и напора Н по (9.43) находим потребляемые мощность Р и энергию Л = />потр Т . Результаты расчета представлены в табл. 9.1. Таблица 9.1 Данные по расчету потребления электроэнергии
Потребление электроэнергии за все время работы насосной установки составит 52 160 кВтч. 2. Регулируемый электропривод. При использовании регулируемого электропривода за счет снижения скорости двигателя уменьшается напор при тех же расходах и тем самым потребляемые мощность и электроэнергия. Пересчет уровней напора и мощности для каких-то двух скоростей со, и со2 осуществляется с помощью формул подобия, имеющих вид:  Данные расчета представлены в табл. 9.2. Таблица 9.2 |