В статье представлено такое оборудование, как рекуператоры энергии, служащие для оптимизации затрат электроэнергии при работе электропривода. Рассмотрены разные типы рекуператоров, механизм их действия, особенности подключения. Показано, что это решение позволяет не только повысить энергоэффективность установки, но и сэкономить место в шкафу.
ООО «КоСПА», г. Москва
В наше время проблема энергоэффективности выходит на первый план. Это связано с большим потреблением невозобновляемых ресурсов планеты: нефти и продуктов ее переработки, угля и т. Данный вопрос находит отклик в самых разных решениях: например, происходит постепенная замена автомобилей с двигателями внутреннего сгорания на электромобили, электричество добывается с помощью альтернативных источников энергии (ветряных и приливных электростанций, недр земли, солнца и т. ), строятся объекты атомной энергетики (дешевая энергия, получаемая с помощью распада радиоактивных веществ, является большим плюсом, хотя утилизация продуктов выработки АЭС губит окружающую среду регионов, в которых производится их захоронение). В масштабах человечества этих решений недостаточно, но представители каждой отрасли промышленности ищут свои методы экономии энергии.
В статье будут рассмотрены доступные решения данной проблемы в области электроприводов, потребляющих около 60 % всей генерируемой электроэнергии в мире.
Электропривод и энергоэффективность: суть проблемы
Для того чтобы понять, где в системе электропривода возникают бесполезные потери энергии, необходимо принять во внимание, что любой электродвигатель работает в двух режимах: двигательном и генераторном. При работе в двигательном режиме мотор потребляет энергию из сети для осуществления своего вращения (пример – перемещение оси стола фрезерного станка), тогда как в генераторном режиме энергия поступает от двигателя в сеть (например, в случае спуска груза краном).
Мы рассмотрим работу электропривода переменного тока, так как он применяется в 80–90 % случаев. Основным средством управления двигателем переменного тока (асинхронным или синхронным) является преобразователь частоты (ПЧ). Преобразователи частоты делятся на два основных класса: преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока (ЗПТ) и непосредственные преобразователи частоты.
ПЧ с промежуточным звеном постоянного тока представляют собой наиболее распространенный класс. Их предпочитают из-за невысокой стоимости и несложных алгоритмов управления. Переменный ток сети определенной частоты с помощью блока выпрямителя преобразуется в постоянный ток, который фильтруется на звене постоянного тока и поступает на блок инвертора, где посредством ШИМ-модуляции получается переменный ток определенной частоты. Преобразователь частоты с промежуточным звеном постоянного тока не имеет проблем при работе мотора в двигательном режиме, однако при переходе в генераторный режим возвращаемая с мотора энергия поступает на конденсатор фильтра в ЗПТ, что может вывести из строя этот элемент. В настоящий момент существует несколько решений данной проблемы: использование тормозного (сливного) сопротивления на звене постоянного тока, использование активного выпрямителя вместо входного диодного моста, организация схемы рекуперации энергии в сеть с помощью внешних устройств. Тормозное сопротивление используется для преобразования генерируемой двигателем энергии в тепло, что, учитывая тему данной статьи, недопустимо. Использование активного выпрямителя позволяет возвращать энергию в сеть без дополнительных устройств (за исключением фильтров ЭМС, которые минимизируют влияние высших гармоник тока от преобразователя на другие устройства в сети, и дросселей, которые улучшают форму возвращаемого тока), но цена такого преобразователя гораздо выше обычного ПЧ. В статье будут рассмотрены варианты реализации схем возврата энергии в сеть на основе внешних устройств – рекуператоров.
Непосредственные преобразователи частоты осуществляют прямое преобразование переменного тока одной частоты в переменный ток другой частоты (рис. Основным видом непосредственных ПЧ являются матричные преобразователи частоты (МПЧ). В основе алгоритма работы МПЧ лежит особое переключение 18 транзисторов (9 пар встречно направленных IGBT): на выходе матричного ПЧ получается практически синусоидальный ток с наилучшим коэффициентом гармонических искажений среди всех видов преобразователей частоты (менее 5 %).
Рис. Схема работы непосредственного преобразователя частоты
Матричные преобразователи частоты, несмотря на свои габариты и более высокую цену, не требуют дополнительных устройств для того, чтобы использовать энергию в рекуперативных режимах: энергия возвращается практически в том же виде, в каком она поступала из сети (рис.
Рис. Использование энергии в рекуперативном режиме с помощью МПЧ U1000
Блок рекуперативного торможения R1000 позволяет осуществлять быструю остановку двигателя, обеспечивая безопасность для преобразователя частоты и возврат энергии в сеть: входные клеммы блока подключаются к питающей сети устройств, работающих в рекуперативном режиме (преобразователей или сервоприводов), а выходные клеммы – к звену постоянного тока этих устройств (рис. Таким образом, избыточная энергия на ЗПТ с помощью модуля R1000 преобразуется в приемлемый для сети вид (переменный ток частоты питающей сети) и возвращается в нее, снижая общее энергопотребление установки, тем самым уменьшая срок окупаемости оборудования.
Рис. Схема подключения рекуператора R1000
Блок рекуперации D1000 выполняет схожие с R1000 функции, но отличается тем, что питание устройств, работающих в генераторном режиме, осуществляется через сам модуль, подключенный к их звену постоянного тока (рис.
Рис. Схема подключения рекуператора D1000
Применение D1000 позволяет не только снизить общее электропотребление установки, но и сэкономить место в шкафу, так как используется лишь один блок для питания всех устройств с рекуперацией. В комплект входят ЭМС-фильтр, дроссель переменного тока и сам блок рекуперации (рис. 5), что позволяет отказаться от дополнительных фильтров, дросселей и резисторов внутри электрошкафа.
Рис. Блок рекуперации D1000 – комплексное решение
Использование матричного ПЧ
Отличным решением для устройств, работающих в рекуперативном режиме, является матричный преобразователь частоты YASKAWA U1000 (рис.
Рис. Сферы применения матричного преобразователя частоты YASKAWA U1000 (увеличить изображение)
Даже в классе непосредственных преобразователей частоты U1000 выделяется своими характеристиками:
— отличный коэффициент гармонических искажений (менее 5 %): преобразователь подавляет высшие гармоники тока, выдавая практически чистую синусоиду (рис. 7);
— коэффициент мощности преобразователя близок к 1, это означает практически полное отсутствие реактивной мощности;
— экономия места в монтажном шкафу. U1000 не требует установки дополнительных компонентов, таких как дроссели переменного тока и ЭМС-фильтры (являются встроенными для преобразователей с номинальным током до 477 А). Таким образом, по сравнению с преобразователями частоты с промежуточным звеном постоянного тока экономится место в шкафу за счет отказа от тормозных сопротивлений и их охлаждения или других внешних блоков рекуперации (рис. 8);
— особенный алгоритм управления позволяет работать с асинхронными и синхронными двигателями на частотах до 400 Гц;
— монтаж преобразователя предельно прост: 3 входные клеммы со стороны сети и 3 выходные клеммы для подключения к двигателю.
Рис. Осциллограммы токов и напряжений преобразователя частоты U1000
Рис. МПЧ U1000 позволяет экономить место в монтажном шкафу
Ко всем преимуществам использования матричного преобразователя можно добавить наличие встроенных функций для мониторинга времени выработки его основных элементов, а функциональность встроенного ПЛК позволила реализовать специальное программное обеспечение для выявления дисбаланса нагрузки на валу двигателя. ПО отслеживает превышение момента нагрузки и при достижении определенного задаваемого количества этих превышений формирует дискретный сигнал. Это позволяет продлить срок эксплуатации оборудования путем выявления неисправностей на ранних стадиях и своевременной замены компонентов системы.
В статье было рассмотрено оборудование, предназначенное для улучшения энергетических показателей объектов металлургической, станкостроительной и прочих отраслей промышленности. Рекуператоры энергии могут быть:
— индивидуальными и неинтегрированными, то есть устанавливаться на отдельный ПЧ вместо тормозного сопротивления, как R1000;
— групповыми, то есть один рекуператор подключается к группе приводов, объединяя их по ЗПТ, как в случае с D1000;
— интегрированными с ПЧ, как, например, матричный преобразователь частоты U1000.
Выбрать тип рекуператора для конкретного применения можно на любом этапе реализации проекта и даже для уже воплощенного проекта, сменив тормозные сопротивления большой мощности на компактный рекуператор, который сэкономит место и улучшит энергоэффективность.
Электрические приводы — это устройства, используемые для управления выходной мощностью двигателя. Они являются важными инструментами повышения энергоэффективности.
Благодаря новым эффективным двигателям, подходящим преобразователям и современными приложениями IIoT (промышленный Интернет вещей) можно значительно повысить эффективность использования ресурсов, сэкономить средства при их эксплуатации и снизить затраты в течение жизненного цикла.
Около 80% потребляемой электроэнергии приходится на электродвигатели, энергоэффективность которых обычно не соответствует современным стандартам и которые часто совершенно не соответствуют требованиям технологического процесса.
Поскольку стоимость энергопотребления двигателя в течение всего срока его службы составляет до 97% от общих затрат, стремление к максимально эффективным решениям является важным вопросом экономической целесообразности.
Прогнозируется, что к 2050 году текущий мировой объем производства удвоится. А вместе с этим будет расти и спрос на электроприводы. В то же время это также открывает возможности для экономии благодаря умным системным решениям.
Последние исследования показывают, что при покупке нового электропривода можно сэкономить в среднем до 30% затрат на электроэнергию.
В случае регулируемых приводов потенциал экономии во многих случаях даже выше по сравнению с нерегулируемыми приводами с фиксированной скоростью. Таким образом, в зависимости от применения эффективность может быть увеличена до 30%.
Благодаря энергоэффективным компонентам и решению по оптимизации можно сэкономить до 60 % затрат на всей приводной системе
Сетевые решения и последовательный анализ системных данных являются лучшими решениями для повышения энергоэффективности электроприводов.
Энергосберегающие регулируемые электроприводы
Продукты, которые предлагают мировые компании-производители электротехнического оборудования отвечают всем требованиям этой концепции — это, например, экономичные двигатели, высокопроизводительные преобразователи и идеально настроенные решения для оцифровки, которые также способствуют оптимизации общей энергоэффективности новых систем.
Однако, безусловно, нет необходимости сразу же приобретать новые системы в любой ситуации. Даже старые часто можно модифицировать, чтобы они стали более энергоэффективными с помощью соответствующей модернизации.
Пример расчета с Siemens SinaSave: двигателя класса эффективности IE2 с управлением дроссельной заслонкой по сравнению с синхронным реактивным двигателем (IE4) и преобразователем SINAMICS G120
Частотный преобразователь управляет скоростью и крутящим моментом двигателя переменного тока путем преобразования фиксированной частоты и входного напряжения в переменную частоту и выходное напряжение. Производительность системы можно значительно повысить, контролируя скорость так, чтобы она точно соответствовала нагрузке.
Наряду с оптимизацией системы и эффективностью двигателя, управление двигателем с частотным преобразователем является одной из трех основных областей для достижения экономии энергии. Экономия будет зависеть от характера и изменчивости нагрузки и общего количества часов работы.
Производительность современных двигателей переменного тока с частотными преобразователями теперь полностью соответствует характеристикам регулируемых систем постоянного тока.
Так как затраты на техническое обслуживание двигателей переменного тока значительно ниже, что делает рентабельной их замену на двигатели переменного тока.
В настоящее время производительность большинства используемых двигателей для насосов обычно регулируется дросселированием, что приводит к значительному количеству отработанного тепла и, следовательно, к большим потерям энергии.
Современные преобразователи частоты и высокоэффективные двигатели могут экономить от 20% до 50% энергии в типичных промышленных приложениях, таких как насосы, вентиляторы или компрессоры, по сравнению со старыми нерегулируемыми системами (смотрите — Особенности современных частотных преобразователей).
Поскольку современные электроприводы с регулируемой скоростью имеет непосредственный доступ к важной информации о процессе, такой как скорость двигателя и крутящий момент, он может действовать как эффективный датчик управления технологическим процессом. Эти данные можно сделать доступными для диагностики, удаленного мониторинга и оптимизации процессов с помощью цифровых решений.
Оптимизация цифровых процессов
Системы измерения и мониторинга являются неотъемлемой частью управления различными современными производственными процессами.
Эти системы обеспечивают ценную информацию о производительности объекта и оборудования и помогают лучше управлять использованием энергии и затратами, улучшая обратную связь и оптимизацию системы. Современные разработки снижают затраты, делая усовершенствованные измерения все более жизнеспособным предложением.
Крупные производственные предприятия могут иметь сотни датчиков, ежедневно генерирующих огромные объемы данных. Теперь эти данные можно обрабатывать с помощью методов искусственного интеллекта. В дополнение к мощному компьютерному оборудованию сложное программное обеспечение для анализа данных превращает огромные объемы данных в полезную информацию.
Измерение и мониторинг также могут быть связаны с технологиями управления для гибкого и сложного управления оборудованием. Это значительно повышает точность производства, выход продукции, качество и согласованность.
Основой современных электроприводов являются интеллектуальные датчики и аналитические инструменты, которые контролируют, согласовывают и улучшают все технологические потоки и являются частью системного подхода более высокого уровня.
Частотные преобразователи нового поколения предназначены для подключения к Интернету и предлагают единую точку подключения для множества датчиков и точек данных. Это позволяет проводить быстрый анализ производительности системы и прогнозное планирование технического обслуживания и ремонта оборудования. Современный электропривод может уведомлять операторов по смартфону до того, как произойдет сбой.
Об особенностях оптимизации цифровых процессов в электроприводах подробно смотрите здесь:
Современные энергоэффективные электроприводы — тенденции и перспективы
Четыре тенденции в управлении приводом
Управление рекуперацией энергии
Важным моментом в процессе повышения энергоэффективности всей системы является решение проблемы накопления энергии.
Например, компания Erfeba lngo Kneer установила новый стандарт энергоэффективности, создав новый способ применения электроприводов в многоярусной системе хранения энергии.
Даже помимо хранения и транспортировки огромное количество энергии можно сохранить в хранилищах энергии и электрических сетях — практически во всех отраслях и приложениях, где электродвигатели перемещают большие массы в противоположных направлениях. Например, в бумажной промышленности, где энергия торможения преобразуется в кинетическую энергию приводов.
Энергия может преобразовываться из кинетической энергии в электрическую энергию, а затем в химическую энергию в фазе рекуперативного торможения. Затем эти преобразования происходят в обратном порядке во время ускорения электродвигателя.
Рекуперативные частотно-регулируемые электроприводы могут обеспечить значительную экономию энергопотребления по сравнению с частотно-регулируемыми электроприводами с тормозными резисторами.
При использовании традиционных резисторных и механических методов торможения энергия должна рассеиваться, так как в электрощитовой часто требуется тепло и дополнительное охлаждение. При использовании рекуперативного торможения энергия торможения не теряется в виде тепла.
Отсутствие внешних компонентов торможения также означает, что рекуперативные электроприводы представляют собой единое компактное решение, которое сводит к минимуму требуемую площадь для установки, а также снижает затраты на проектирование и оборудование. Это может привести к значительной экономии затрат на строительство шкафа.
Например, годовая экономия на кране для обработки отходов, оснащенном подъемным двигателем мощностью 55 кВт, двигателем дальнего хода мощностью 9 кВт и двигателем тележки мощностью 4,5 кВт, составила 15,6 мегаватт-часа (МВтч) на основе измерений на площадке заказчика, что соответствует 32% в экономии энергии по сравнению с использовавшейся ранее технологией резистивного торможения.
Смотреть на всю систему в целом хорошо во всех областях, в которых используются электроприводы: речь идет не только об оптимизации самого электропривода, но прежде всего об эффективном использовании синергии между компонентами, что позволяет достичь максимально возможной выгоды в области экономии средств.
Ассортимент современных двигателей, приводов и цифровых решений предлагает оптимальные решения для текущих и будущих стандартов энергоэффективности.
Управление электроприводом и техническое обслуживание
Правильно обслуживаемый электропривод может работать на 15% эффективнее. Стоит внедрить программу технического обслуживания электропривода.
Крупный промышленный объект может содержать тысячи двигателей, при этом обычно большая часть электроэнергии потребляется всего несколькими важными системами.
Техническое обслуживание электроприводов в соответствии с графиком принесет наибольшую выгоду с самой быстрой окупаемостью.
Использование энергии двигателя можно контролировать с помощью приборов учета электроэнергии. Датчики могут помечать потенциальные проблемы до того, как они вызовут проблемы.
При оценке двигателей следует учитывать время работы, условия окружающей среды и последствия отказа.
Проверки можно проводить с помощью инфракрасного теплового сканера для выявления двигателей, которые работают в перегретом состоянии.
Существует ряд задач по техническому обслуживанию для обеспечения оптимальной работы двигателей:
- Содержание двигателей и вентиляторов в чистоте.
- Проверка на чрезмерную вибрацию, которая может быть признаком несоосности двигателя;
- Проверка электрических соединений в месте подключения питающих кабелей, которые могут быть ослаблены или повреждены;
- Обеспечение охлаждения двигателей за счет правильной вентиляции;
- Смазка двигателей, подшипников, редукторов и цепных передачи в соответствии с интервалами, рекомендованными производителем, и спецификациями смазочных материалов;
- Контроль ременных передач, которые должны быть чистыми и правильно натянутыми;
- Замена двигателей на предприятии в соответствии с фактическими измеренными нагрузками;
- Замена старых двигателей по результатам диагностики до того, как они выйдут из строя.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Руководитель бизнеса «Электропривод» компании ABB в России Руслан Хисматуллин — о том, какую роль могут играть электродвигатели для устойчивого развития и энергоэффективности отечественных промышленных предприятий.
По прогнозам экспертов, в ближайшие десятилетия воздействие на окружающую среду будет только усиливаться: ожидается, что к 2050 году население планеты увеличится до 9,7 млрд человек. Из них около 80% будут жить в городах. Это создаст дополнительную нагрузку на системы водоснабжения, энергоснабжения, транспорта, обеспечения продовольствием.
Чтобы защитить окружающую среду, не сдерживая при этом экономический рост, необходимо удвоить наши усилия по сокращению потребления энергии и природных ресурсов. Концепция устойчивого развития, основанная на бережном отношении к окружающей среде, должна стать ответом на нарастающую угрозу экологического кризиса.
Идея этой концепции объединяет три равноценных направления деятельности: экономическое, социальное и экологическое. Компании, которые следуют принципам устойчивого развития, более конкурентные, стабильные и успешные на рынке.
Мы в своей компании проанализировали ситуацию на глобальном энергорынке и пришли к выводу, что повышение энергоэффективности производства — наиболее перспективный метод устранения климатического кризиса. По сути, это очевидный и самый действенный способ решения проблем, связанных с изменением климата. Только электродвигатели на промышленных предприятиях и в системах обеспечения жизнедеятельности потребляют около 45% производимого в мире электричества.
Производители электродвигателей и преобразователей частоты могут и делают многое: за последнее десятилетие технологии развивались быстрыми темпами. Как результат, современное инновационное оборудование обеспечивает существенную экономию энергопотребления. По нашим подсчетам, применение в 2020 году энергоэффективных электродвигателей и преобразователей частоты ABB, установленных на предприятиях, позволило сэкономить 198 тераватт-часов, что в три раза превышает годовое потребление электроэнергии в Швейцарии.
По нашим оценкам, значительное количество установленных в мире электродвигателей — около 300 млн единиц — работает неэффективно или потребляет гораздо больше энергии, чем требуется, что приводит к огромным потерям.
Отраслевые эксперты считают: если заменить оборудование на более энергоэффективное, глобальное энергопотребление можно сократить на 10%. Это позволит снизить объем выбросов парниковых газов более чем на 40%, что соответствует целям Парижского соглашения до 2040 года.
С нашей точки зрения как производителя электрооборудования, сегодня наиболее простой способ уменьшить потери и увеличить эффективность для потребителя — установить электродвигатели более высокого класса энергоэффективности. Увеличение этого показателя на одну ступень увеличивает стоимость электродвигателя. Однако эта разница в стоимости окупается в срок от одного года до трех в зависимости от режима работы электродвигателя и стоимости электроэнергии. Для каждого конкретного случая мы можем предложить больше методов и технологий для увеличения энергоэффективности и показать потенциальный эффект от их внедрения более глубокими и обоснованными расчетами.
АВВ как одна из крупнейших компаний — производителей оборудования довольно продолжительный период времени предпринимает усилия по сокращению выбросов и внедрению экологически безопасных методов производства. Еще в 2013 году компания приняла решение сократить выбросы парниковых газов на 40% к 2020 году. В 2020 году уровень выбросов парниковых газов компании составил 561 килотонну. Это на 58% меньше, чем в 2013 году. Мы, как электротехническая компания, можем предложить рынку для сокращения выбросов передовые технологии, которые обеспечивают энергосбережение в промышленности, строительстве и транспортной отрасли.
Наша компания уже предприняла значительные шаги для внедрения электромобилей и возобновляемых источников энергии. Мы считаем, что пришло время поддержать распространение промышленных технологий, которые принесут еще большую пользу окружающей среде и мировой экономике. Например, в Швеции мы уже начали переоборудовать около 700 служебных автомобилей, а в Великобритании компания к 2025 году полностью перейдет на электрические автомобили.
Если говорить о России, то здесь потенциал энергосбережения очень высок. Дело в том, что сегодня в стране отсутствует регулирование в области энергоэффективности электродвигателей. Предприятия любой отрасли (например, ЖКХ, энергетика, перерабатывающая промышленность, нефтегаз, металлургическая промышленность) могут добиться существенной экономии электроэнергии при модернизации с применением электродвигателей высокого класса энергоэффективности.
Модернизация дает значительный прирост экономии энергии, однако еще большее повышение КПД достигается при использовании энергоэффективного электродвигателя в сочетании с преобразователем частоты. На данный момент, несмотря на широкое использование преобразователей частоты, лишь 25% центробежных нагрузок (насосы, компрессоры, вентиляторы и т. ) управляются с их помощью. Установка частотного преобразователя на такие нагрузки позволяет экономить до нескольких десятков процентов электроэнергии по сравнению с традиционным способом управления параметрами с помощью задвижки или заслонки.
Мы считаем, что наибольшего результата в достижении целей по снижению экологической нагрузки можно добиться, если распространение и внедрение промышленных технологий будет поддержано со всех сторон. Лица, ответственные за принятие важных для общества решений на государственном уровне, представители регуляторных органов должны поощрять переход на эти технологии. Компании, города и страны — расширять понимание возможной экономии и преимущества для окружающей среды, быть готовыми делать инвестиции. И наконец, инвесторы должны увидеть необходимость перераспределения капитала в пользу компаний, лучше других подготовленных к противодействию изменению климата.
2021 год стал для нашей компании знаковым: мы объявили «Движение за энергоэффективность». ABB призывает к внедрению энергоэффективных двигателей и преобразователей частоты для сокращения энергопотребления на 10% и снижения влияния на климат.
Чем известна ABB
Asea Brown Boveri (АВВ) — шведско-швейцарская транснациональная компания, специализирующаяся в области электротехники и энергетического машиностроения; создана в результате слияния в 1988 году шведской компании ASEA и швейцарской компании Brown, Boveri & Cie. ABB в России насчитывает более 700 сотрудников, три производственные и семь сервисных площадок (Москва, Мурманск, Санкт-Петербург, Екатеринбург, Южно-Сахалинск) и более 20 региональных офисов.
С современными электроприводами есть ряд возможностей для значительной экономии при их эксплуатации. Благодаря эффективным двигателям, подходящим инверторам и современным приложениям IIoT (промышленный Интернет вещей) использование ресурсов станет более эффективным, а затраты на жизненный цикл могут быть сокращены.
Примерно 80% всей энергии, потребляемой нынешними электроприводами, приходится на электродвигатели среднего размера, энергоэффективность которых обычно не соответствует действующим стандартам и которые обычно излишне крупногабаритные для данного применения.
Стоимость энергии, потребляемой двигателем в течение срока службы, составляет до 97% от общих эксплуатационных расходов. Таким образом, поиск решения, которое максимально повысит эффективность электродвигателей, является как экономичным, так и экологически безопасным.
Сегодня мы встречаем электрические приводы практически на каждом этапе, особенно в промышленности и строительстве, например, в насосах, компрессорах и системах кондиционирования воздуха, кранах, лифтах и конвейерных лентах.
В то же время на промышленность приходится более одной трети мирового потребления электроэнергии, из которых почти 70% этой доли приходится на электродвигатели. Еще примерно 30% мирового потребления электроэнергии приходится на здания, где на долю электродвигателей приходится 38% этой доли.
И спрос растет: текущие глобальные экономические показатели, по прогнозам, удвоятся к 2050 году. А вместе с тем возрастет спрос на электроприводы. В то же время это откроет пространство для экономии благодаря интеллектуальным системным решениям. Недавние исследования показывают, что, купив новый электропривод, можно сэкономить в среднем до 30% на расходах на электроэнергию.
В соответствии с Парижским климатическим соглашением 2015 года 196 стран обязались замедлить глобальное потепление. Однако этому противодействуют такие мегатенденции, как урбанизация, мобильность и автоматизация, которые неизбежно увеличивают повседневное потребление энергии.
Таким образом, усилия по повышению энергоэффективности теперь стали основным направлением практической реализации Парижского соглашения. Во всем мире вводятся новые директивы, касающиеся экономичной эксплуатации электродвигателей — например, в Европейском Союзе, США и Китае.
В частности, новые европейские директивы поставили цель сократить выбросы CO2 на 40 миллионов тонн к 2030 году. Средством достижения этой цели должно стать обязательное внедрение экономичных технологий. Китай поставил перед собой цель сократить потребление энергии на 13,5% ВВП и выбросы CO2 на 18% к 2025 году.
Сетевые решения и тщательный анализ системных данных — лучшие решения для повышения энергоэффективности до действительно устойчивого уровня.
Но совершенно не обязательно сразу покупать новые системы в любой ситуации. Даже старые часто можно модифицировать так, чтобы они стали энергоэффективными с помощью подходящего дополнительного оборудования.
Современные инверторы (частотные преобразователи) и высокоэффективные двигатели могут сэкономить до 30% энергии в типичных промышленных приложениях, таких как насосы, вентиляторы или компрессоры, по сравнению с нерегулируемыми старыми системами.
На примере конкретных решений видно, что эта экономия может быть увеличена до 45% путем включения оптимизированного решения для привода, в данном случае насоса.
Система включает инвертор, который обеспечивает энергоэффективность привода даже при частичной нагрузке, адаптируя скорость и крутящий момент к текущим требованиям нагрузки. Это означает, что каждое приложение всегда настраивается на ту производительность, которая ему требуется.
Чем конкретнее и разнообразнее приложения и компоненты, тем сложнее может быть вся система. Поэтому, особенно в промышленной среде, необходимо выбирать подходы, которые подробно учитывают систему со всеми ее взаимодействиями и синергетическими эффектами и могут оптимально ее гармонизировать.
Он основан на интеллектуальных датчиках и аналитических инструментах, которые отслеживают, согласовывают и улучшают все технологические процессы и являются частью системного подхода более высокого уровня.
Интеллектуальные датчики позволяют анализировать подключенные электродвигатели на уровне самого двигателя. Современные инверторы обычно вообще не нуждаются в дополнительных внешних датчиках, потому что они либо непосредственно ими оснащены, либо могут напрямую оценивать определенные параметры системы и передавать их.
Уже на этапе планирования ошибки выбора и определения размеров могут быть выявлены с помощью виртуального моделирования отдельных компонентов привода. Сбор и анализ данных непосредственно во время работы обеспечивается за счет подключения к облачным и периферийным промышленным приложениям. На производстве цифровые решения для приводов помогают своевременно выявлять возможные проблемы и тем самым предотвращать неисправности.
Сбор данных от отдельных компонентов привода также может выявить косвенные эффекты, не связанные с приводом. Таким образом, можно постоянно оптимизировать всю работу взаимосвязанной системы — просто и без специальных знаний.
Основываясь на опыте непосредственно на производстве, можно сказать, что до 10% энергии можно сэкономить, используя интеллектуальные датчики и приложения для анализа данных сложных процессов. Благодаря специальным сервисам профилактического обслуживания, основанным на сети IIoT, срок службы компонентов может быть увеличен до 30%, а их производительность может быть увеличена на 8–12%.
Переход от нерегулируемого электропривода к регулируемому является одним из основных путей энергосбережения в электроприводе и в технологической сфере средствами электропривода.
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.
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 режимы работы с постоянной скоростью характеризуются повышенным удельным расходом электроэнергии по сравнению с номинальным режимом.
По мере снижения производительности эффективность работы конвейера уменьшается, так как возрастает относительная доля мощности, расходуемой на преодоление момента холостого хода. Более экономичным является режим работы с переменной скоростью, обеспечивающей ту же производительность, но при постоянстве составляющей тянущего усилия.
На рис. 1 показаны зависимости мощности на валу двигателя для конвейера с моментом холостого хода Мх = 0,ЗМв для постоянной (v — const) и регулируемой (Fг= const) скоростей передвижения грузов. Заштрихованная область на рисунке соответствует экономии мощности, получаемой за счет регулирования скорости.
Рис. Зависимость мощности на валу электродвигателя от производительности конвейера
Так, если скорость конвейера снизить до 60% от номинального значения, то при этом мощность на валу двигатели снизится на 10% по сравнению с номинальной. Эффект от регулирования скорости тем выше, чем больше момент холостого хода и чем значительнее снижается производительность конвейера.
Снижение скорости механизмов непрерывного транспорта при недогрузке позволяет выполнить необходимый объем работы с меньшим удельным расходом электроэнергии, т. 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, поэтому принимать решение о целесообразности применения регулируемого электропривода для таких механизмов, оценивая лишь энергетический аспект, принципиально неверно.
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 привило, 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, при этом только вентиляторы потребляют около 10% от всей электроэнергии, вырабатываемой в стране.
Эксплуатационные свойства центробежных механизмов представлены в виде зависимостей напора Н от расхода Q, так и мощности Р от расхода Q. В установившемся режиме работы напор, создаваемый центробежным механизмом, уравновешивается напором гидро- или аэродинамической сети, в которую он подает жидкость или газ.
Статическая составляющая напора, определяется для насосов — геодезической разностью уровней потребителя и насоса; для вентиляторов — естественной тягой; для нагнетателей и компрессоров — давлением сжатого газа в сети (резервуаре).
Рис. Q—H-характеристики насосной установки
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). Потеря на задвижке характеризуются заштрихованной областью на рис.
Так же как и в электрической цепи, более экономично регулирование 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 вид: Q* = ω*, H* = ω*2, P* = ω*3
Скорость рабочего колеса насоса, при которой его характеристика будет проходить через точку А:
Выражение для потребляемой насосом мощности при регулировании скорости имеет вид:
Квадратичная зависимость момента от скорости характерна в основном для вентиляторов, так как статическая составляющая напора, определяемая естественной тягой, существенно меньше Нх. В технической литературе иногда используют приближенную зависимость момента от скорости, которая учитывает это свойство центробежного механизма:
М* = ω*n
где n=2 при при Нс = 0 и nHс>0. 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 ω=const оказывается весьма существенным. Для примера ниже показаны результаты расчета режимов работы насоса с параметрами Hx* = 1,2; Рх*=0,3 на сеть с противодавлением при различных Hс:
Приведенные данные показывают, что 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.
Выше рассмотрены вопросы энергетики одиночно работающих центробежных механизмов на сеть с постоянными параметрами. 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.
При параллельной работе центробежных механизмов возможны два случая:
1) одновременно и синхронно регулируется скорость всех механизмов;
2) 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, 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.
Библиографическое описание
В статье рассматривается вопрос применения одного регулируемого электропривода при различных режимах параллельной работы однотипных питательных насосов на блоке. Предложены алгоритмы регулирования подачи и напора параллельно работающих питательных насосов.
Ключевые слова:
питательные насосы, частота вращения, регулирование параметров насоса, тепловые электрические станции.
Keywords:
feed pumps, speed, pump control, thermal power plants.
Возрастающие технологические требования к качеству производственных процессов, необходимость внедрения высоких технологий обуславливают устойчивую тенденцию внедрения в различные отрасли промышленного и сельскохозяйственного производства регулируемых электроприводов.
На основании анализа технической литературы, исследования технологического процесса питания водой котлоагрегатов были выявлены негативные факторы, оказывающие существенное влияние на эффективность работы системы питания:
– регулирование производительности установки ПЭН осуществляется путем реостатного регулирования, что является неэффективным с точки зрения энергосбережения;
– частые запуски напрямую от сети ПЭН приводит к повышенному износу оборудования, из-за 5–7-кратных пусковых токов;
– неконтролируемое потребление электроэнергии.
Ослабление отмеченных факторов можно осуществить при внедрении в систему управления питательными насосами частотно-регулируемого электропривода.
Анализ режимов работы системы подачи питательной воды показал, что наиболее целесообразным техническим решением модернизации ее будет использование индивидуального частотно-регулируемого электропривода насоса. Однако такое требует дополнительного технико-экономического обоснования, так как стоимость преобразователя частоты на повышенное напряжение питания, которое диктуется параметрами используемого двигателя 4АЗМ-4000/6000 УХЛ4, имеет довольно высокое значение. Параметры двигателя приведены в таблице. Кроме того, необходимо оценить надежность такого технического решения.
Параметры электродвигателей ПЭН 6 кВ
Тип двигателя
Кол-во
Мощность
кВт
Напряжение
кВ
Обороты
об/мин
4АЗМ-4000/6000 УХЛ4
8
3700
6
3000
Для схемы регулирования производительностью электродвигателей ПЭН Хабаровской ТЭЦ-3 предназначается система частотного электропривода на двигателях 6 кВ.
Для частотных приводов значительной мощности 4000 кВт будем применять продукцию фирмы SIEMENS. Для использования частотного привода в технологической схеме Хабаровской ТЭЦ-3 для ПЭН выбраны электродвигатели 4АЗМ-4000/6000 УХЛ4.
Для электродвигателей типа 4АЗМ-4000/6000 УХЛ4 выбираем частотный преобразователь Siemens Sinamics SM150 c номинальной мощностью 4500 кВт, технические характеристики частотного преобразователя приведены в таблице.
Тип
Длительно допустимый ток, А
Максим. ток, А
Номинальная мощность, кВт
Расход воздуха на охлаждение, м
3
/ ч
Номинальное напряжение, В
Siemens Sinamics SM150
600
750
4500
—
6000,0
Перепад давления в регулирующих питательных клапанах котлов (РПК) электростанции при их режиме с номинальным давлением пара в барабане должен поддерживаться равным не менее 0,08 номинального давления в барабане, т. 0,08·15,7 = 1,25 МПа (12,8 кгс/см2).
Из опыта эксплуатации подобных систем и учете потерь давления на гидравлическом сопротивлении арматуры, трубопроводах, в трубных пучках подогревателей высокого давления (ПВД) можно сделать вывод, что давление в питательном коллекторе после насосов в 18,24 МПа (185 кгс/см2) будет достаточным для корректной работы регулирующих питательных клапанов котлов (РПК) и обеспечения в полной мере котлоагрегатов питательной водой. Из рисунка 1 видно значительное превышение давления, создаваемого питательными насосами до РПК, что приводит к сокращению срока службы клапанов, потере энергии на дросселирование и рециркуляцию. Так же работа насосов на частичной нагрузке далекой от номинального режима снижает КПД установки.
Рис. Характеристики однотипных, параллельно работающих питательных насосов с нерегулируемыми электроприводами
Режим работы оборудования с применением одного регулируемого электропривода является одним из способов снятия избыточного давления, развиваемого насосом, и уменьшения излишнего перепада давлений на РПК. В связи с тем, что все ступени данного насоса идентичны, расчет новых характеристик производится по формулам подобия, используя рабочие характеристики для ПЭ 580–185–5 (рисунок 2).
Рис. Характеристики насоса ПЭ 580–185–5: Н — рабочая характеристика насоса ПЭ 580–185–5; N — мощностная характеристика насоса ПЭ 580–185–5; η — характеристика КПД насоса ПЭ 580–185–5; NPSHr — требуемый квитанционный запас
На рисунке 3 показаны характеристики насоса ПЭ 580–185–5 с нерегулируемым и регулируемым электроприводом.
Рис. характеристики работы одного насоса ПЭ 580–185–5: 4–5 — характеристика ПЭ 580–185–5 с нерегулируемым электроприводом; 1–2–3–5 — характеристика ПЭ 580–185–5 с регулируемым электроприводом
Рис. Характеристики работы двух насосов с одним регулируемым электроприводом: 5–7 — характеристика двух ПЭ 580–185–5 с нерегулируемыми электроприводами; 1–6–7 — характеристика двух ПЭ 580–185–5 с одним регулируемым электроприводом
На рисунках 3 и 4 заштрихована экономия мощности при использовании регулируемого электропривода взамен дросселирования и рециркуляции.
Рис. Удельный расход электроэнергии на питательные насосы: 1 — нормативный удельный расход электроэнергии; 2 — расчетный удельный расход электроэнергии с нерегулируемыми электроприводами; 3 — расчетный удельный расход электроэнергии с одним регулируемым электроприводом
Из полученных графиков видно, что при использовании одного регулируемого электропривода в системе параллельно работающих однотипных питательных насосов наблюдается снижение удельных показателей расхода электроэнергии за счет уменьшения потерь на дросселировании и рециркуляции. Так же применение регулируемого электропривода положительно сказывается на увеличение КПД установки и продления срока службы РПК.
- Осипов, О. И. Частотно-регулируемый электропривод: учебное пособие по курсу «Типовые решения и техника современного электропривода» / О. И. Осипов. — М.: Издательство МЭИ, 2004. — 80 с.
- Лезнев, Б. С. Энергосбережение и регулируемый привод в насосных и воздуходувных установках./Б. С. Лезнев. — М.: Энергоатомиздат,2006. — 360с.
Основные термины (генерируются автоматически): регулируемый электропривод, насос, характеристика насоса ПЭ, частотный преобразователь, SIEMENS, номинальная мощность, питательная вода, питательный клапан котлов, расчетный удельный расход, характеристика работы.