Частотно-регулируемый электропривод переменного тока

Частотно регулируемый электропривод — это электродвигатель (асинхрон­ный или синхронный), оснащенный регулируемым преобразователем частоты.

Для низковольтных асинхронных двигателей (электроприводы насосов подпитки тепловых сетей, насосов слива конденсата в подогреватели низкого давления, баггерных, шламовых насосов, регенеративных воздухоподогревателей и т.п.) применяются преобразователи частоты на основе IGBT-инверторов напряжения с ШИМ. Такие преобразователи мощностью от 30 до 250 кВт выпускают отечественные фирмы, в частности, НТЦ "Приводная техника" и "Веспер-Автоматика". Для электромагнитной совместимости со стандартным асинхронным двигателем, особенно при протяженном кабеле от преобразователя частоты, на выходе последнего должен быть установлен L или LC-фильтр.

В силу психологической инерции и отсутствия финансовых средств в промышлен­ности и коммунальном хозяйстве частотные регуляторы находят недостаточное при­менение, несмотря на то, что они являются эффективным средством позволяющим адаптировать режимы работы вспомогательного энергетического и промышленного оборудования к колебаниям производственной загрузки промышленных предприятий и коммунальных систем.

Область применения частотных регуляторов обширна:

• энергетика (питательные, сетевые и подпиточные насосы, дутьевые вентиляторы и дымососы);

• нефтяная и газовая промышленность (буровые установки, насосы нефтепере-
качки, компрессоры газоперекачки);

• угольная и горнорудная промышленность (экскаваторы, электротрансмиссии
мощных карьерных самосвалов, транспортеры и конвейеры, дробилки, насосы, вен­тиляторы, компрессоры и т.д.);

• цементная промышленность (печи, мельницы, конвейеры, транспортеры);

• химическая, нефтехимическая, лесная и целлюлозная промышленность (ме­шалки, центрифуги, насосы, компрессоры, вентиляторы и т.п.),

• коммунальное хозяйство (насосы систем холодного и горячего водоснабжения и отопления). Их применение позволяет на 30-40 % сократить расход электроэнергии, на 20 % — расход воды и тепла, избежать гидравлических ударов в системах).

Основные достоинства данной технологии:

1.Энергосбережение, которое осуществляется за счет достижения соответствия
потребляемой и требуемой мощности путем регулирования скорости вращения элек­тродвигателя. Опыт внедрения и эксплуатации показал, что расход электроэнергии
уменьшается на 30-60 %, а коэффициент мощности достигает величины 0,98, что зна­чительно превышает коэффициент мощности тиристорных электроприводов анало­гичного назначения (0,7).

2.Высокое качество электроэнергии, в частности за счет существенного (по срав­нению с тиристорным) уменьшения высоких гармоник тока и напряжения, резко ухуд­шающих функционирование электропотребителей.

3.Высокая надежность: наработка на отказ по данным эксплуатации составляет
не менее 25000 часов, проектная долговечность — не менее 15 лет.

4.Широкие возможности интеграции в системы автоматизированного управле­ния (АСУ ТП) за счет развитых средств коммуникации — дискретных и аналоговых входов/выходов, интерфейса связи с компьютером или управляющей системой.

5.Снижение эксплуатационных затрат за счет увеличения износостойкости обо­рудования, работающего значительную часть времени с пониженной скоростью вра­щения, "мягкий" запуск обеспечивает отсутствие пусковых токов.

При использовании ЧРП для регулирования режимов работы вентиляторов вместо метода дросселирования (вентиляторы, дымососы) потребляемая мощность ЧРП (при подаче равной 0,5 от номинального значения) равна 13 % номинальной мощности, при дросселировании — 75 %, т.е. экономия составит 60 % номинальной мощности. В режиме регулирования суточных и сезонных графиков ТЭС, снижение мощности

газомазутных энергоблоков достигает 70-75 % (аналогичные режимы имеют место и на котлоагрегатах промышленных котельных), на угольных — 50 %. Применение ЧРП даже на ТЭС, где уделяется много внимания экономичности генерирования энергии и каждое мероприятие в этом направлении весомо в абсолютном значении, позволяет повысить экономичность блоков в среднем на 1-2 %. Особенно такие решения эффек­тивны для промышленных котельных в условиях спада производства, где максималь­ная нагрузка котлоагрегатов иногда достигает 25-35 %.

На рисунке показано, как формируется экономия мощности при ис­пользовании ЧРП, работающего на вентиляторную нагрузку. КПД частот­ного преобразователя около 98 %.

ПРИМЕНЕНИЕ ЧАСТОТНО РЕГУЛИРУЕМОГО АСИНХРОННОГО ЭП НА ВНС

Преобразователь частоты устанавливается между питающей сетью и электродвигателем, для обеспечения обратной связи. В напорный коллектор на выходе насосного агрегата устанавливается датчик давления. Плавное регулирование частоты и высокая точность поддержания давления в сетях водоснабжения позволяет экономить электроэнергию (от 30 до 60%), ведёт к экономии перекачиваемой воды, исключает гидроудары (существенно увеличивается срок службы трубопроводов и запорной арматуры), осуществлять пуск агрегатов на номинальных токах (увеличивает срок службы электродвигателей и коммутационной аппаратуры), работать в автоматическом режиме по часам реального времени по запрограммированному графику.

ПРИМЕНЕНИЕ ЧАСТОТНО РЕГУЛИРУЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ДЛЯ КНС

Применение частотно регулируемого асинхронного ЭП с обратной связью по датчику уровня позволяет экономить электроэнергию (за счет стабилизации максимально допустимого уровня в приёмном резервуаре при больших потоках), устранить гидроудары в трубопроводах, уменьшить число коммутационных переключений в силовых цепях и цепях управления насосными агрегатами.

ПРИМЕНЕНИЕ ЧАСТОТНО РЕГУЛИРУЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА В КОМПРЕССОРНЫХ УСТАНОВКАХ

При применении частотно-регулируемого привода для управления винтовыми компрессорами можно получить экономию электроэнергии, сравнимую с экономией при управлении центробежными насосами (до 60%), снижение износа коммутационной аппаратуры (в связи с отсутствием больших пусковых токов), снижение утечки сжатого воздуха (за счет оптимизации давления в пневмосети, увеличение срока службы электродвигателя (из за снижения его нагрузки и отсутствия тяжёлых пусковых режимов).

ПРИМЕНЕНИЕ ЧАСТОТНО РЕГУЛИРУЕМОГО ПРИВОДА В СИСТЕМАХ ВЕНТИЛЯЦИИ И КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА

Применение частотно-регулируемого привода в системах вентиляции и кондиционирования воздуха. Использование частотно регулируемого электропривода обеспечивает экономию электроэнергии (до 75% за счет устранения шиберирования), плавное включение и выход на рабочий режим вентилятора (полную защиту электродвигателя), увеличение ресурса электродвигателя управление скоростью вращения двигателя вентилятора.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЧАСТОТНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ В КОТЕЛЬНЫХ

Использование частотно регулируемых приводов позволяет решать задачу согласования режимных параметров и энергопотребления тягодутьевых механизмов с изменяющимся характером нагрузки котлов, эффективно автоматизировать технологический процесс, позволяет сэкономить до 70% электроэнергии, идущей на приведение в действие дымососа и вентилятора, обеспечивает экономию топлива за счет оптимальной совместной работы вентилятора и дымососа. Плавный пуск электроприводов и полная защита электродвигателя позволяет увеличить межремонтный период, снизить аварийность оборудования.

Регулирование работы насосов. В практике неизменных (постоян­ных) режимов водоснабжения не бывает. Насосы работают в пере­менном режиме в зависимости от режимов потребления воды (рис.). Поэтому правильное изменение режимов работы насосов, т. е. раци­ональное регулирование, обеспечивает значительную экономию элек­троэнергии. Регулирование режима работы насосов может осуществ­ляться напорной или приемной задвижкой; изменением частоты вращения электродвигателя.

Суточный отпуск воды со 2-го подъема водопроводной станции.

Анализ этих способов регулирования показывает следующее:

– при регулировании задвижкой с уменьшением расхода воды КПД насоса уменьшается, а значения напора растут. Следовательно, с уменьшением расхода воды удельный расход электроэнергии быстро возрастает;

— при регулировании изменением числа параллельно работающих насосов КПД двигателя и насоса остаются неизменными. Напор из-за уменьшения расхода и потерь в сетях снижается, что приводит к снижению удельных расходов электроэнергии;

— при регулировании изменением частоты вращения насоса КПД насоса и электродвигателя с уменьшением расхода практически не снижается, но снижается напор. Поэтому снижаются удельные рас­ходы электроэнергии. Частотное регулирование осуществляется с помощью преобразователей частоты. Оно позволяет:

— автоматически поддерживать необходимое давление воды при изменении объема водопотребления;

— в 2-3 раза увеличить срок службы электродвигателей и насосов за счет исключения перегрузок при потреблении воды, а также при посадках напряжения в сети;

— увеличить срок службы трубопроводов за счет отсутствия из­быточного давления;

— сократить расход воды за счет уменьшения потерь при избы­точном давлении (в системах водоснабжения каждая лишняя атмос­фера вызывает за счет больших утечек дополнительно 7-9% потерь воды):

— сократить трудозатраты на эксплуатацию систем водоснаб­жения за счет бесперебойной работы насосов, а также автоматичес­кого отключения с выработкой командного сигнала на подключе­ние резервного насоса и применения автоматизации управления от АСУТП.

Годовой экономический эффект при применении частотного ре­гулирования складывается из трех составляющих:

1) эффекта от снижения потерь электроэнергии за счет повыше­ния КПД насосных агрегатов;

2) эффекта от снижения расходов воды за счет стабилизации дав­ления в системах подачи и распределения воды;

3) эффекта от увеличения срока службы и межремонтных перио­дов электро и механооборудования, затрат на приобретение, мон­таж и обслуживание запорной арматуры.

Мощность преобразователя частоты определяется по выражению:

Pn.ч = (1.1 – 1.2)PH,

Годовая экономия электроэнергии при внедрении преобразовате­ля определяется как

ΔW = ,

где H_вых — напор на выходе насоса, м вод. ст.;

Н_необ—напор, поддерживаемый в магистрали, за задвижкой, м вод. ст.

Повышение КПД насосов. Замена устаревших насосов на но­вые, с более высоким КПД, позволяет получить экономию элект­роэнергии:

ΔW = 0.00272 ,

Уменьшение сопротивления трубопроводов. Причины повышенных удельных расходов электроэнергии на подачу воды — неправильная конфигурация трубопровода, когда поток испытывает резкие пово­роты, засоренность всасывающих устройств и др. Устранение этих причин приводит к уменьшению сопротивления трубопроводов и снижению расхода электроэнергии.

ΔH = 0,083λLG2/d5,

Потери напора в трубопроводе на прямом участке:

_где λ, — коэффициент трения воды о стенки труб (λ = 0,02-0,03);

L — длина участка трубопровода, м;

G — действительный расход, м³/с;

d — диаметр трубопровода, м;

f— коэффициент местного сопротивления: для задвижек f= 0,5, для закругленного на 90°колена f= 0,3, для обратного клапана f= 5,0.

Только цифры

Сегодня в России внедрение эффективных ресурсосберегающих технологий сдерживается высокой стоимостью импортных РЭП большой мощности. Это часто связано с необходимостью закупки полного комплекта фирменного оборудования, включающего трансформаторы, ПЧ, реакторы, двигатель. Удельная стоимость импортных РЭП мощностью 0,3–5 МВт составляет 150–350 USD/кВт (в зависимости от комплектности поставки и мощности). Стоимость отечественных РЭП указанной мощности с учетом наличия у заказчика высоковольтной ячейки, реакторов и электродвигателя составляет 80–120 USD/кВт. Срок окупаемости РЭП отечественного производства, определяемый экономией электроэнергии от их применения, составляет от 1 года до 2 лет в зависимости от объекта внедрения. С учетом экономии других ресурсов срок окупаемости может оказаться существенно меньше.

В настоящее время в ЖКХ и в электроэнергетике износ основного насосного оборудования превышает 60%. Внедрение на насосных и вентиляторных агрегатах устройств плавного пуска и регулируемых электроприводов позволит значительно продлить сроки их эксплуатации. Проведенный в 1999–2000 годах энергоаудит собственных нужд 50 тепловых электростанций позволил дать экспертные оценки по количеству и номенклатуре механизмов собственных нужд, оснащение которых регулируемым электроприводом наиболее перспективно, а также определить расчетную экономию электроэнергии [1]. К примеру:

• для питательных насосов с суммарной установленной мощностью регулируемых электроприводов 727 825 кВт расчетная экономия электроэнергии составит 12 737 000 тыс. кВт•ч;
• для дутьевых вентиляторов с суммарной установленной мощностью регулируемых электроприводов 185 300 кВт расчетная экономия электроэнергии составит 389 136,3 тыс. кВт•ч;
• для дымососов с суммарной установленной мощностью регулируемых электроприводов 252 000 кВт расчетная экономия электроэнергии составит 442 030 тыс. кВт•ч;
• для сетевых насосов с суммарной установленной мощностью регулируемых электроприводов 211 575 кВт расчетная экономия электроэнергии составит 3 248 625 кВт•ч.

Федеральная энергетическая комиссия России в 2001 году соответствующим решением рекомендовала считать приоритетным направлением энерго- и ресурсосбережения в электроэнергетике широкое внедрение регулируемого электропривода при выполнении проектов технического перевооружения и реконструкции тепловых электростанций. Комиссией было признано целесообразным при расчетах тарифов на электрическую и тепловую энергию ввести инвестиционную составляющую, компенсирующую затраты на проекты внедрения регулируемых электроприводов. Это должно стать серьезным стимулом широкого внедрения регулируемых электроприводов в электроэнергетике.