Об эффективности использования регулируемого асинхронного электропривода

Эффективность замены устаревших технических систем новыми определяется прежде всего экономической эффективностью, которая может быть получена в результате уменьшения эксплуатационных затрат. В условиях производства используют два варианта реконструкции путем замены нерегулируемого электропривода регулируемым, путем замены регулируемого электропривода более современным. В каждом варианте можно получить экономию на потребляемой энергии и экономию на ремонтах. Поэтому представляет интерес расчет и сравнение потребляемых мощностей.

Известно, что для центробежных механизмов (насос вентилятор компрессор) производительность Q (м³/с) пропорциональна первой степени частоты вращения ω (рад/сек), напор Н (Па) - второй степени частоты вращения, а требуемая мощность Р_м их произведению

P_м = kQH,

где k - коэффициент пропорциональности.

Для приближенного анализа составляющих потребляемой активной мощности можно принять такие допущения:

• при постоянной скорости механизма напор не зависит от расхода (Н ≈ const);

• характеристика напорной магистрали параболическая функция (H/Q² = const);

• приводной электродвигатель выбран так, что его номинальная мощность равна номинальной мощности механизма (Р_н = Р_мн);

• КПД электродвигателя не зависит от нагрузки и скорости вращения.

Из характеристики напорной магистрали следует, что для изменения расхода в q раз

Q₁ = qQ_н

нужно изменить напор в q² раз

H₁=q²H_н

где Q_н, H_н - номинальные значения расхода и напора.

При этом полезная мощность, требуемая для обеспечения Q₁, составит

P₁ = kQ₁

В случае регулирования производительности задвижкой, напор перед задвижкой практически не изменяется и на задвижке теряется мощность

Потери мощности на нагрев электродвигателя зависят от передаваемой мощности и КПД двигателя (η)

В результате потребляемая из сети активная мощность будет равна

Для варианта регулирования скорости вращения вала механизма без изменения скорости вращения магнитного поля двигателя ω0 (например, регулирование гидромуфтой или добавочными сопротивлениями в poторных цепях двигателя) составляющая ∆Р_здв, исключается, но возникают потери мощности в регулирующих элементах (муфте, добавочных сопротивлениях) которые пропорциональны моменту на валу двигателя М₁ и изменению скорости

Момент двигателя М₁ можно оценить по значению требуемой мощности Р₁ на его валу

Поэтому

Потери мощности в электродвигателе

Потребляемая из сети активная мощность

В случае использования привода с регулированием скорости электродвигателя изменением частоты подводимого напряжения, потери мощности на регулирующей аппаратуре будут минимальными

Для упрощения их можно принять равными нулю. Это значит, требуемую активную мощность можно оценить по формуле

Формулы можно представить в удобных для анализа относительных единицах

Графики зависимостей (h0), (h1) и (h2) показаны на рисунке (КПД двигателя принят равным 0,9) и позволяют оценить возможность снижения потребляемой активной мощности. В любом случае наименьшее значение мощности соответствует варианту с частотно-регулируемым электроприводом.

Рисунок 1. Влияние производительности на потребляемую мощность.

Кроме активной энергии электропривод может потреблять и реактивную. Причем, обе составляющие учитываются счетчиками и за обе нужно платить. Поэтому сравнивая варианты привода необходимо учесть возможность уменьшения реактивной мощности.

Реактивная мощность, потребляемая электродвигателем, подключенным к питающей электросети без преобразователя, связана с процессом создания магнитного поля в рабочем зазоре и магнитных полей рассеяния. Магнитное поле рабочего зазора практически постоянно и значительно превышает по величине изменяющиеся поля рассеяния. Поэтому затраты энергии на создание магнитных полей можно принять постоянными и ориентировочно оценить их по номинальным данным двигателя:

где U_ф.н, I_ф.н, P_ф.н, cosφ_н - номинальные значения напряжения фазы, тока фазы, мощности и коэффициента мощности

Частотно-регулируемый электропривод с промежуточным звеном постоянного тока такую мощность не потребляет.

Сравнивая варианты, следует учесть, что использование регулируемых резисторов в роторе требует использования электродвигателя с фазным ротором. Скользящий контакт ротора обычно является источником неплановых отказов, а пускорегулирующая аппаратура требует постоянного обслуживания и ремонта. Использование гидромуфты также требует постоянного обслуживания и ремонтов (особенно резиновых уплотнений). Поэтому частотно-регулируемый привод имеет не только энергетические, но и эксплуатационные преимущества.

Экономию на ремонтах можно оценить по стоимости среднего количества незапланированных ремонтов из-за неблагоприятного характера процессов пуска и торможения.
Например, при пуске асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором мощностью в сотни киловатт (привод компрессора или транспортера) возникает проблема защиты от действия больших (>1000 А) пусковых токов. Такие токи:

• вызывают нежелательные механические усилия, местные перегрузки элементов по механическому износу и нагреву;

• сокращают срок службы изоляции вибрирующих проводников, механической и электрической части коммутационных аппаратов создают дополнительные потери напряжения в питающей сети, которые могут стать причиной нежелательных защитных отключений участков электроснабжения с другими потребителями.

Для уменьшения количества трудных пусковых режимов в условиях эксплуатации создают условия непрерывной многосуточной работы, что приводит к непроизводительному расходу всех видов электрической энергии. Типичный пример - привод компрессора с перегрузочным механическим клапаном. Сжатый воздух в определенные промежутки времени может не расходоваться, а электропривод все равно потребляет практически постоянную мощность.

Предлагаемый частотно регулируемый электропривод с асинхронным электродвигателем и инвертором напряжения на базе широтно-импульсных модуляторов имеет ряд технических и эксплуатационных преимуществ:

1) обеспечивается уменьшение потребляемой активной электрической энергии до 65% при глубине регулирования производительности до 0,5 (см. рисунок);

2) на входе установлен нерегулируемый сетевой выпрямитель и поэтому привод потребляет из питающей сети практически активную энергию. Реактивная энергия, необходимая для работы асинхронного двигателя, создается и циркулирует внутри привода между накопительным конденсатором сетевого выпрямителя и обмотками двигателя через инвертор. Счетчиком реактивной энергии она не учитывается;

3) потери энергии на нагрев минимальны, так как:

а) электродвигатель работает в условиях естественной характеристики без добавочных сопротивлений в цепи ротора;

б) нет искажений формы тока двигателя и связанных с ними потерь активной мощности (до 15%);

в) потери мощности на элементах преобразователя весьма невелики (КПД преобразователя достигает значений 0,97-0,98);

4) инвертор напряжения с широтно-импульсной модуляцией на частоте 5-10 кГц позволяет формировать практически синусоидальное напряжение регулируемой частоты и амплитуды. В результате обеспечиваются устойчивый режим вращения двигателя на малых скоростях и плавный пуск с заданным ускорением;

5) малая мощность и габариты системы управления позволили использовать встроенную микро-ЭВМ, которая значительно упростила наладку и переналадку системы, увеличила надежность системы расширением диагностических функций;

6) электроприводы выпускаются серийно, не содержат компонентов, за которыми нужен постоянный оперативный контроль, требуют минимальных затрат на эксплуатацию (осмотры, наладку, ремонт).

(Оригинал статьи)

Биография

Автореферат

Ссылки

Отчет о поиске

Библиотека

Индивидуальное задание

ДонНТУ

Портал магистров

RUS

UKR

ENG