Применение частотно-регулируемого привода как средство повышения экономической эффективности

Самым распространенным электроприемником является асинхронный электродвигатель (АД). Он прост, надежен, долговечен. Применяется для привода всевозможных механизмов. Для обеспечения его эффективной работы необходимо правильно подобрать мощность, согласованную с приводным механизмом. Например, для привода центробежного насоса мощность АД определяется

(3.1)

где k – коэффициент запаса, равный 1,1…1,4;

g – удельный вес перекачиваемой жидкости (для холодной воды g = 981даН/м³;

Q – производительность насоса, м³/с;

Н – напор насоса, м;

η _н – КПД насоса;

η _пер – КПД передачи.

Мощность, напор и производительность центробежного насоса связаны со скоростью вращения определенными соотношениями

(3.2)

Годовое потребление электроэнергии насосным агрегатом определяется

где η _д – КПД двигателя;

Т – время работы насоса в год, ч.

Из приведенного соотношения следует, что потребление электроэнергии зависит от многих параметров, определяющих пути совершенствования насосных агрегатов, в том числе и от рационального регулирования их производительностью изменением скорости вращения двигателя, что следует из соотношений (3х2) уменьшение n в 2 раза приводит к снижению потребляемой мощности в 8 раз.

Регулирование производительности насосного агрегата необходимо при работе на систему с переменным расходом, в данном случае, воды. Для этого в настоящее время наиболее широкое применение нашли два способа регулирования: дросселирование и изменение скорости вращения электродвигателя. Причем наиболее эффективным является последний способ, что видно из иллюстрации рис. (3.1.)

При работе с проектным расходом задвижка открыта полностью и, соответственно, потребляемая мощность электродвигателем насоса будет максимальной. При снижении расхода посредством прикрытия задвижки (дросселирования) потребляемая мощность электродвигателем уменьшается, но остается больше чем при снижении скорости вращения насоса.

Принцип регулирования производительности насоса изменением скорости вращения его рабочего колеса представлен на рис. 3х2. Режимы работы насоса определяются точками пересечения а, а ₁ и а ₂ характеристик насоса Н _н = f (Q) с постоянной для рассматриваемой сети характеристикой Н _с = f (Q). При различных скоростях вращения рабочего колеса n ₂ < n < n ₁ будет различная производительность насоса Q_{n 2}< Q_n < Q_{n 1} и различные напоры Н_{n 2}< Н_n < < Н_{n 1}. С увеличением скорости вращения рабочего колеса напор и расход увеличиваются. Потребляемые мощности Р_{n 2}, Р_n, Р_{n 1} и к.п.д. η_{n 2} < η_n < η_{n 1} так же могут определены по рис. 3.2.

Регулирование производительности агрегатов изменением скорости вращения привода позволяет существенно снизить расход электроэнергии и реализовывать плавный пуск электродвигателя, что облегчает работу электрооборудования и оборудования подключенных инженерных систем.

Однако практическая реализация данного принципа является сложной технической задачей. В частности, не удается простым способом регулировать скорость двигателя и, как следствие, производительность механизма.

До середины 1980-х годов единственным доступным решением был электропривод постоянного тока. Последний имеет два существенных недостатка – относительно высокая стоимость и сложность технического обслуживания. Поэтому их применение ограничивалось областями, где без регулируемого электропривода обойтись было невозможно, в частности станки, металлургические агрегаты, мощные экскаваторы и т.д.

Электропривод постоянного тока практически не использовался в массовых агрегатах (насосы, вентиляторы и т.д.), там абсолютно преобладал нерегулируемый электропривод с АД с короткозамкнутым ротором.

Скорость вращения АД с короткозамкнутым ротором можно регулировать изменением напряжения, подводимого к обмотке статора двигателя. Этот способ реализуется с помощью относительно простых технических средств и схем управления. Для этого между питающей сетью и статором электродвигателя включается регулятор напряжения (рис. 3.3, а).

При изменении напряжения, подводимого к обмотке статора, критический момент М _кр АД изменяется пропорционально квадрату подводимого к двигателю напряжения U _рег (рис. 3.3, б), а скольжение от U _рег не зависит. Если момент сопротивления рабочей машины больше пускового момента электродвигателя (М _с > М _пуск), то двигатель не будет вращаться, поэтому необходимо запускать его при номинальном питающем напряжении или на холостом ходу.

Регулировать скорость вращения АД с короткозамкнутым ротором таким способом можно только при вентиляторной нагрузке и с использованием специальных электродвигателей с повышенным скольжением. Диапазон регулирования скорости вращения ограничен.

Нашедшие применение тиристорные регуляторы напряжения широко и успешно применяются для плавного пуска и останова элек­тропривода (рис. 3.4).

Также же неэффективны и другие способы регулирования ско­рости АД с короткозамкнутым ротором, основанные на изменении напряжения при неизменной часто­те (специальные АД, изменение схемы включения, муфты скольжения и т.п.). Становятся малоэффективными и многоскоростные АД. Они имеют значительные массога­баритные характеристики, сложную контактную аппаратуру и отно­сительно высокую стои­мость.

Принципиально других и, главное, энергетически эффективных ре­зультатов достигаются используя систему элек­тронный преобразователь частоты – АД с короткозамкнутым ротором. Данное направление развития электропривода является главным на ближайшую перспективу. Осо­бенно привлекательным оно становится на стадии модернизации су­ществующих объектов, так как сохраняется все существующее обо­рудование, но между сетью и двигателем включается новый элемент – преобразователь частоты, радикально меняющий весь технический и экономический облик системы.

Управление АД в частотном режиме до недавнего времени было большой проблемой, хотя теория частотного регулирования была разработана еще в тридцатые годах прошлого века. Развитие час­тотно-регулируемого электропривода (ЧРП) сдерживалось высокой стоимостью преобразователей частоты. Появление силовых схем с IGBT-транзисторами, разработка высокопроизводительных микро­процессорных систем управления позволило создать современные ЧРП доступной стоимости.

Применяемые в настоящее время ЧРП имеют практически оди­наковую структуру ШИМ-инвертора и развитую систему микропроцессорного управления, обеспечивающую широкие функциональные возможности, надежную защиту привода и другие важные пользовательские функции. Это позволило снизить долю электроприводов постоянного тока в общем парке регулируемых электроприводов до 15%. ЧРП пока остается практически единствен­ными средством, реализующим высококачественный регулируемый асинхронный электропривод в массовых применениях.

Принцип частотного метода регулирования скорости асинхронного двигателя заключается в том, что, изменяя частоту f ₁ питающего напряжения, можно в соответствии с выражением

при неизменном числе пар полюсов p изменять угловую скорость магнитного поля статора ω ₀.

Этот способ обеспечивает плавное регулирование скорости в ши­роком диапазоне, а механические характеристики обладают высокой жесткостью. Регулирование скорости при этом не сопровождается увеличением скольжения АД, поэтому потери мощности при регули­ровании невелики.

Для получения высоких энергетических показателей АД, таких как коэффициентов мощности, полезного действия и перегрузочной способности необходимо одновременно с частотой изменять и вели­чину подводимого напряжения.

Закон изменения напряжения зависит от характера момента на­грузки M _с. При постоянном моменте нагрузки M _с = constнапряже­ние на статоре должно регулироваться пропорционально частоте:

Таким образом, для плавного бесступенчатого регулирования частоты вращения вала АД, преобразователь частоты должен обеспе­чивать одновременное регулирование частоты и напряжения на ста­торе АД.

Большинство современных ЧРП строятся по схеме двойного преобразования (рис. 3.5) и состоят из неуправляемого диодного си­лового выпрямителя (В), автономного инвертора (АИН), системы управления широтно-амплитудного модуля­тора (СУИ ШИМ), сис­темы автоматического регулирования (САР), дросселя L и конденса­тора фильтра C. Регулирование выходной частоты f _вых и напряжения U _вых осуществляется в инверторе за счет высокочастотного широтно-импульсного управления.

Широтно-импульсное управление характеризуется периодом модуляции, внутри которого обмотка статора электродвигателя под­ключается поочередно к положительному и отрицательному полюсам выпрямителя.

Длительность этих состояний внутри периода ШИМ модулиру­ется по синусоидальному закону. При высоких (обычно 2…15 кГц) тактовых частотах ШИМ, в обмотках электродвигателя, вследствие их фильтрующих свойств, протекают синусоидальные токи.

Таким образом, форма кривой выходного напряжения представ­ляет собой высокочастотную двухполярную последовательность прямоугольных импульсов (рис. 3.6). Частота импульсов определя­ется частотой СУИ ШИМ. Длительность (ширина) импульсов в тече­ние периода выходной частоты АИН модулируется по синусоидаль­ному закону.

По такой схеме функционируют подавляющее большинство представленных на рынке ЧРП. Отличия заключаются в функциях

системы управления, которые можно подразделить на три группы:

- управление силовыми ключами выходного генератора;

- обеспечение защиты двигателя, сети и ПРЧ;

- интерфейс с внешними информационными системами.

Коэффициент полезного действия ЧРП высокий и составляет в среднем 98 %. При этом из сети потребляется практически только ак­тивная составляющая тока нагрузки.

Микропроцессорная управляющая система обеспечивает высо­кое качество управления электродвигателем и контролирует множе­ство его параметров, предотвращая тем самым возможность возник­новения аварийных ситуаций.

Применение ЧРП позволяет реализовать следующие техниче­ские возможности:

- регулирование скорости от нуля до номинальной и выше до тех­нически допустимой;

- плавный пуск и остановка;

- ограничение тока на уровне номинального в пусковых, рабочих и аварийных режимах;

- увеличение срока службы механической и электрической частей оборудования.