Міністерствоосвіти і науки України
Полтавськийнаціональний технічний університет імені Юрія КондратюкаНаукова робота
натему:
«Енергозбереженняв електроприводах насосних агрегатів (на прикладі ВАТ „Полтававодоканал)“
Полтава
2006
ЗмістВступ
1. Загальні відомості
2. Потенціал енергозбереження на полтавській філії ВАТ»Полтававодоканал"
3. Огляд сучасних методів та підходів доенергозбереження у водопровідно – каналізаційних господарствах (ВКГ)
4. Регульований електропривод
4.1 Система перетворювач частоти – асинхронний двигун
4.2 Особливості енергетики вентильних електроприводів
5. Застосування регульованого електроприводу насоснихагрегатів
Висновки
Список використаної літератури
Додаток
Вступ
Водопровідно –каналізаційні господарства України на перехідному етапі розвитку економікиопинились у кризовому стані. Це викликано цілою низкою факторів – відсутністюцентралізованого фінансування розвитку, реконструкції та модернізації; ростомнеплатежів за послуги; зношеністю мереж і споруд; високою енергоємністю виробництвата надання послуг; зростанням цін на електроенергію, вільними цінами нареагенти та матеріали.
З огляду напостійне зростання питомої ваги витрат на енергоресурси (в першу чергу наелектроенергію) в собівартості послуг водопроводу та каналізації у даний часнайбільш актуальним постає питання енергозбереження.
З енергетичноїточки зору система водопостачання та водовідведення міста є складнимкомплексом, експлуатація якого вимагає систематичного проведення технічних,економічних та організаційних заходів по підвищенню енергоефективності.
В той час, колиціни на енергоносії були у 20-30 разів нижче сучасних, заходи по підвищеннюенергоефективності не мали економічного сенсу. Але сьогодні підвищенняенергоефективності вигідне водопровідно – каналізаційним господарствам.
В даній роботібуде розглянуто застосування технічних заходів щодо підвищенняенергоефективності, зокрема енергозбереження в електроприводах насосів.Особливу увагу приділено впровадженню регулюємого електроприводу.
Найбільшпростим, дешевим і надійним електричним двигуном є асинхронний двигун, томуйого використання в регулюємому електроприводі представляє особливий інтерес.
Регулюванняшвидкості асинхронного двигуна зміною частоти (частотний спосіб) є одним ізнайбільш перспективних і широко впроваджується в даний час. Він забезпечуєплавне регулювання швидкості в широкому діапазоні, а отримані характеристикиволодіють досить високою жорсткістю. Крім того, він відрізняється ще однієюважливою перевагою – регулювання швидкості асинхронного двигуна несупроводжується підвищенням його ковзання, тому втрати потужності прирегулюванні швидкості виявляються невеликими.
1. Загальнівідомості
Полтавська філія водопровідно – каналізаційногогосподарства ВАТ «Полтававодоканал» забезпечує питною водоюпідприємства та населення загальною чисельністю близько 300 тисяч чоловік.
За останні роки обсяги виробництва значнознизились, добова продуктивність системи водопостачання наведена на мал. 1.1.
/>
Мал. 1.1. Добовапродуктивність системи водопостачання за останні 5 роківВ системі експлуатується 4 водопровідних насосних станціїта водопровідні очисні споруди проектною потужністю 120 тис. м3/добу. Доля затрат об'єктів водовідведення у загальному споживанні підприємстванадзвичайно мала, тому в даній роботі основний акцент буде робитись наводопостачання, як основний виробничий процес підприємства.
Системаводопостачання забезпечується з поверхневого джерела р. Ворскла. Загальна характеристика водопровіднихнасосних станцій та технічна характеристика устаткування насосних станційнаведені у табл. 1.1 та додатку 1.
Таблиця 1.1 Загальнахарактеристика водонасосних станцій полтавської філії ВАТ «Полтававодоканал»Найменування станції
Добова потужність, тис. м3
Питома витрата електроенергії,
кВт · год/м3 проектна фактична На 2006 рік планова фактична ВНС 1 126 63,1 59,5 1,955 2,050 ВНС 2 120 55,7 52,8 1,995 2,050 ВНС 3 96 54,4 51,5 1,955 2,050 ВНС 4 82,08 52,2 49,5 1,995 2,050 Значнимфактором, що впливає на ефективність використання енергетичних ресурсів є режимроботи основних енергоспоживаючих об'єктів та способи регулюваннятехнологічними процесами.
У зв'язку з технологічною особливістювиробництва полтавської філії ВАТ «Полтававодоканал» режим роботинасосних станцій не змінюється. Але маючи тенденцію до постійного зменшенняобсягів виробництва насосні станції працюють менш ніж на 50% своєї проектноїпотужності.
ВНС 1 працює на45% від своєї проектної потужності. В роботі постійно знаходиться один насоснийагрегат (НА) 600 В – 1,6/100А (Q=5760м3/год,Н=100 м, Р=1600 кВт).
ВНС 2 працює на37% від своєї проектної потужності. В роботі постійно знаходиться один НА –Д6300 – 80 (Q=6300 м3/год, Н=90 м, Р=1600кВт).
ВНС 3 працює на56% від своєї проектної потужності. В роботі постійно знаходиться один НА –Д4000 – 90 (Q=4000 м3/год, Н=90 м, Р=1250кВт).
ВНС 4 працює на67,5% від своєї проектної потужності. В роботі постійно знаходиться один НА –Д3200 – 75 (Q=3200 м3/год, Н=75 м, Р=800кВт).
Необхідна подачаводи здійснюється завдяки регулюванню напірною засувкою НА (дроселювання), щопризводить до значних витрат електроенергії.
Пронеефективність режимів роботи насосних станцій також свідчать низькі значенняусередненого ККД, що наведені у додатку 2.
Приведені дані,особливо низькі значення ККД по годинах доби, свідчать про нестабільність танеефективність режимів роботи об'єктів водопостачання. Таке положення викликаненевідповідністю встановленого обладнання на насосних станціях сформованимвимогам, на даний час, потреб споживачів у воді (великий спад обсягіввиробництва), та також відсутністю сучасних засобів регулювання продуктивностінасосних станцій.
2. Потенціал енергозбереження на полтавськійфілії ВАТ «Полтававодоканал»
Наведені впопередніх розділах дані свідчать про наявність потенціалу енергозбереження уполтавської філії ВАТ «Полтававодоканал». Потенціал економії електроенергії закладений у сфері основноговиробництва підприємства в системі водопостачання. Очевидно, що найбільшийпотенціал енергозбереження мають об'єкти, що є основними споживачамиелектроенергії, це в першу чергу водопровідні насосні станції. Головним негативним фактором, який впливає ненеефективне використання енергетичних ресурсів, безумовно, є зменшення обсягіввиробництва, що викликане зменшенням абонентами обсягів споживання. В зв'язку з цим насосні агрегати на всіх чотирьохстанціях працюють приблизно на 50% своєї продуктивності, регулювання подачіводи при цьому здійснюється за допомогою дроселювання напірною засувкою, щопризводить не тільки до занадто великих витрат електроенергії, а й достроковомузносу обладнання. Про кризовий стан усфері енергоефективності виробництва свідчать й такі показники, приведені впопередньому розділі, як усереднений ККД насосних станцій, значення якогостановить 0,2 – 0,44 та фактичні питомі витрати електроенергії. Виходом з цього положення будуть такіенергозберігаючі заходи як впровадження регулюємого електроприводу. Важливим потенційним фактором енергозбереження єудосконалення системи обліку води та енергії, це в першу чергу впровадженнясучасних ультразвукових витратомірів та заміна застарілих електролічильників набільш сучасні з підвищеним класом точності. Так за рахунок зниженняневрахованої води може бути отримана економія від 1 тис. грн. до 7 – 10 тис.грн. для одного витратоміра на місяць при діючому тарифі на воду. Створення автоматизованої системи облікуелектроенергії на базі сучасних приладів дозволило б заощаджувати орієнтовно 5%від загального споживання електроенергії.
3. Огляд сучасних методів та підходівдо енергозбереження у водопровідно–каналізаційних господарствах (ВКГ)
Основний висновок по енергетичному обстеженню полтавської філії ВАТ «Полтававодоканал»– це наявність значного потенціалу економії енергоресурсів.
У даному розділірозглядаються сучасні методи та підходи до енергозбереження у водопровідно –каналізаційному господарстві, що досить добре апробовані за останні 30 років, іуспішно застосовуються на практиці.
Енергозберігаючітехнології у водопровідно – каналізаційних господарствах значно розвинулись заостанні 30 років, успішно застосовуються на підприємствах і забезпечуютьефективність енергоспоживання.
Структураосновних методів (технологій) енергозбереження наведена мал. 3.
/>Мал. 3. Структураметодів енергозбереження у ВКГ
4. Регульованийелектропривод
4.1 Системаперетворювач частоти – асинхронний двигун
Регулювання частоти являє собою більш складну задачу, ніж регулюваннявипрямленої напруги, так як потребує додаткових ступенів перетворення енергії.
Найбільше числоступенів перетворення характерне для електромашинних перетворювачів частоти.Для регулювання частоти напруги, що виробляється синхронним генератором,необхідно регулювати його швидкість. Для цих цілей привод генератора необхідноздійснювати або за допомогою системи Г – Д, або по системі ТП – Д.Електромашинний перетворювач частоти два перетворювальні агрегати: асинхроннийдвигун, який обертає генератор постійного струму, і двигун постійного струму,який обертає синхронний генератор з потрібною швидкістю. Електропривод з такимперетворювачем частоти має п'ять ступенів перетворення енергії, збільшену десьу 5 разів масу, габарити і ціну (в порівнянні з нерегулюємим електроприводом),погіршений ККД і його використання економічно недоцільне.
/>
Мал. 4.1.1. Схемаелектропривода з електромеханічним перетворювачем частоти
На мал. 4.1.1 Наведенасхема вентильно – електромашинного перетворювача частоти, в якому регулюванняшвидкості синхронного генератора відувається по системі ТП – Д. Тут замістьелектромашинного агрегата, який виробляє регулюєму напругу постійного струму,використаний більш економічний тиристорний перетворювач. Але і в цьому випадкуперетворювач частоти містить три ступені перетворення енергії, із них дві –електромеханічного перетворення. Схема безпосереднього регулювання швидкості посистемі ТП – Д простіше і дешевше, тому використання системи ПЧ – АД може матимісце лише тоді, коли двигунпостійного струму не може бути використаний для привода виконавчого механізму по технічним умовам.
При зміні частоти необхідно регулювати напругу або струм статорноїобмотки асинхронного двигуна. На мал. 4.1.1 в схемі відповідно присутні дваканали: канал управління частотою (Uу.ч), який діє на швидкість синхронногогенератора СД, і канал управління напругою, який діє на збудження СД (Uу.н).
Канал управління частотою має структуру системи ТП – Д (мал. 4.1.1) іволодіє значною інерційністю, що обумовлена механічною інерцієюперетворювального агрегата системи ПД – СГ. Канал регулювання напруги такожінерційний в зв'язку з наявністю електромагнітної інерції ланцюга збудженнясинхронного генератора. Тому як об'єкт керування схема, представлена на мал.4.1.1 володіє несприятливими властивостями.
Найменшим числом ступенів перетворення енергії володіють вентильніперетворювачі частоти. Вони містять ступінь перетворення змінного струму впостійний і ступінь інвертування. Ці дві ступені в самостійному виглядіприсутні лише в перетворювачах частоти з ланкою постійного струму. Вперетворювачах частоти з безпосереднім зв'язком функції випрямлення іінвертування суміщені в реверсивному перетворювачі постійного струму,випрямлена напруга або струм якого змінюються з потрібною частотою за допомогоюсистеми керування перетворювачем. Як наслідок, найбільш близьким до системи ТП– Д масогабаритними показниками володіє система ПЧ – АД з перетворювачем збезпосереднім зв'язком, а система з перетворювачами, які містять ступіньпостійного струму, поступається по цим показникам системі ТП – Д. Але недолікипо мірі вдосконалення вентильних перетворювачів частоти постійно скорочуються,і суттєві переваги асинхронного двигуна визначають неабияку перспективністьсистеми ПЧ – АД.
Вентильні перетворювачі частоти можуть володіти або властивостямиджерела напруги, або властивостями джерела струму. В першому випадку наряду звходом керування частотою uу.ч, перетворювач має вхід керування напругою uу.н (мал. 4.1.2 а)). У випадку інвертораструму регулювання магнітного потоку машини при регулюванні частотиздійснюється по входу керування струмом uу.т(мал.4.1.2 б)).
/>
Мал. 4.1.2. Схеми асинхронного електропривода з перетворювачами частоти(а, б) і векторна діаграма (в)
Канал керування частотою може здійснювати або дискретне, або неперервнеформування частоти напруги і струму. При неперервному формуванні синусоїдальноїнапруги чи струму заданої частоти його можна вважати практично безінерційним.Канал керування напругою або струмом діє на тиристорний перетворювач і йогошвидкодія може оцінюватись швидкодією цього керованого перетворювача.
При такому керуванні напруга в схемі на мал… або струмом в схемі намал., яке забезпечує постійне потокозчеплення />,або при постійності /> або /> в межах значеньабсолютного ковзання /> рівняннямеханічної характеристики двигуна має вигляд:
/> (4.1.1)
/>
Мал. 4.1.3. Структурна схема лінеаризованої системи ПЧ — АД
В системі ПЧ – АД (мал. 4.1.3):
/> (4.1.2)
Доповнивши ці рівняння рівнянням руху двигуна електропривода, отримаємосистему рівнянь, якій відповідає наведена на мал… система ПЧ – АД.
Параметри /> і /> в цій структурі повиннівідповідати потрібному режиму роботи електромеханічного перетворювача: /> , /> або />.
Динамічнівластивості системи ПЧ – АД як об'єкта керування менш сприятливі, ніж динамічнівластивості регулюємих електроприводів постійного струму, в зв'язку звідсутністю незалежного каналу регулювання потоку, аналогічно обмотці збудженнядвигуна з незалежним збудженням. Так при живленні від джерела напругипотокозчеплення />, />, /> повинні залежати віднапруги U1, частоти f1 та абсолютного ковзання sа.
Для підтриманняпотоку на заданому рівні при цих умовах необхідне регулювання його або повідключенню, або по принципу компенсації. В останньому випадку керуваннянапругою uу.н або струмом uу.т реалізується на основівідомого взаємозв'язку між />, />, /> та керуючими діями U1 або І1 та факторами f1 і sа.
Взаємозв'язок U1 і /> можнавизначити за допомогою рівнянь електричної рівноваги, записаних у векторнійформі для статичного режима в осях х, у і представити у вигляді:
/>
/> (4.1.3)
Даназалежність дозволяє для поточних значень частоти в абсолютного ковзаннявизначити значення напруги U1, які встатичному режимі роботи відповідають умові />. Вона використовується для формування структури функціональногоперетворювача, який керує напругою перетворювача частоти в процесі роботиелектропривода.
В динамічних режимах зміна момента двигуна відповідає зміні кута міжвектором напруги /> або струмустатора /> і вектором намагнічуючогоструму машини />. При незміннійфазі вектора /> (або /> при живленні від джереластруму) зміна вказаного кута реалізується за рахунок переміщень ротора, івнаслідок механічної інерції виникають невідповідності, які порушують вираз />. Зміна основного потокумашини викликає появу електромагнітної інерції, і динамічні властивостіелектропривода як об'єкта керування суттєво погіршуються.
Для визначення необхідних для такого керування кількісних зв'язківзапишемо рівняння механічної характеристики в осях х, у:
/>(4.1.4)
Рівняння потокозчеплення ротора:
/> (4.1.5)
Поставивши за мету підтримувати постійним потокозчепленнч ротора />, сумістимо його з віссю х,при цьому />, /> і із рівняньпотокозчеплення отримаємо:
/> (4.1.6)
Підставляючи ці співвідношення і значення /> урівняння механічної характеристики, отримаємо:
/> (4.1.7)
Звідси:
/> (4.1.8)
Векторна діаграма, яка відповідає цим співвідношенням наведена на мал.4.1. 2 в). Вона показує, що складова струму статора і1х єнамагнічуючим струмом і при />, />. Складова /> являє собою активнийструм, якому при /> пропорційниймомент двигуна. За допомогою векторної діаграми визначимо шуканіспіввідношення, які дозволяють забезпечити /> вдинамічних процесах:
/> (4.1.9)
Тобто при частотно – струмовому керуванні електроприводом системакерування перетворювачем повинна забезпечувати можливість формування першоїгармоніки струму статора для підтримання />:
/> (4.1.10)
Тому показаний на мал. 4.1.2 б) інвертор струму ПЧ оснащений крімвходів керування амплітудою uу.т і частотою uу.ч також входом керування фазою струму uу.ф. Рівняння механічної характеристики при />:
/> (4.1.11)
де />.
При ідеальному підтримуванні /> електромагнітнапостійна Тэ в структурі на мал. 4.1.3 дорівнюєнулю. Але практично в зв'язку з неточностями компенсації можливі проявиелектромагнітної інерції треба враховувати малу некомпенсовану постійну Тэ.
Наувагу заслуговують також такі закони керування, які забезпечують зниження втратенергії, що виділяється в двигуні. Зокрема керування близьке до оптимального покритерію мінімума втрат, здійснюється при підтримуванні абсолютного ковзання,яке рівне критичному при всіх навантаженнях />.Цій умові при кожному моменті відповідає найменше значення струму статора.
Привикористанні такого керування слід враховувати, що при зменшенні навантаженнявід Мном до 0 зниження втрат досягається за рахунок струмунамагнічування, тобто потоку машини. А це означає, що при керуванні при /> основний потік змінюєтьсяв широких межах, що призводить до сильного впливу електромагнвтної інерції,який суттєво знижує швидкодію при регулюванні координат.
ККДсистеми ПЧ – АД з вентильним перетворювачем дещо нище, якщо є ланка постійногоструму, так як при цьому перетворення напруги і струму відбувається двічі.
Коефіцієнтпотужності в цій системі близький до значення коефіцієнта потужності в системіТП – Д, якщо в якості ланки постійного струму використати тиристорнийперетворювач.
4.2 Особливостіенергетики вентильних електроприводів
Для регулюємихелектроприводів найбільш загальним і ефективним шляхом вирішення проблемиенергозбереження на даному етапі є використання вентильних перетворювачів. Привикористанні сучасних напівпровідникових пристроїв – тиристорів, транзисторів врізноманітних виконаннях, ККД перетворювачів достатньо великий. Так длятиристорного перетворювача з m – фазною схемою випрямлення, в якій на інтервалі провідності обтікаютьсяструмом n послідовно увімкненихвентилів його можна оцінити за допомогою співвідношення:
/> (4.2.1)
де /> — ККД силовоготрансформатора, який забезпечує потенціальну розв'язку силових ланцюгів електроприводата обмеження струмів короткого замикання при пробоях тиристорів. /> — падіння напруги навентилі; /> - номінальна вихіднанапруга перетворювача.
Якщо з достатнімзапасом прийняти />, то для мостовоїсхеми перетворювача (n=2) при U1=380 В і Uт.п.ном=440 В ККД керованоговипрямляча складе:
/>
Те ж значення отримаємо і дляперетворювача з нульовою схемою випрямлення (n=1),Але при тій же напрузі живлення номінальна напруга перетворювача в 2 разименша. Для трансформаторів 10 – 1000 кВт значення ККД лежать в межах 0,95 –0,98, тобто:
/>Доцільно співставити з електромашинним перетворювальнимагрегатом для системи генератор – двигун – його ККД при потужності 1000 кВТскладе:
/>
Таким чином, вцьому випадку заміна системи генератор – двигун системою тиристорнийперетворювач – двигун дозволяє економити близько 7% споживаної енергії ізнизити втрати в перетворювальному агрегаті приблизно в 3 рази. Це суттєвепідвищення енергетичної ефективності електропривода.
Але оцінкуенергетичної ефективності вентильних електроприводів на основі обліку втрат вперетворювальному агрегаті необхідно доповнити оцінкою негативних властивостейвентильних електроприводів, пов'язаних з дискретним принципом перетворення ірегулювання напруги перетворювачів. Ці особливості реалізуються в двох головнихнапрямках – всередині електропривода в результаті впливу форми струмів інапруг, які формує перетворювач, на роботу двигуна і в системіелектропостачання в результаті впливу споживаних перетворювачем струмів нароботу живильної мережі.
Основу сучасноїперетворювальної техніки складають тиристори з природною комутацією. Приприродній комутації реалізується максимальна простота схемотехніки, відсутністьперенапруг, мінімальна маса, габарити і вартість перетворювачів.
Напруга і струм,які формує перетворювач з природньою комутацією для фази асинхронного двигуна всистемі перетворювач частоти – асинхронний двигун визначається пульсністюперетворювача m, кутом регулювання α,ЕРС обертання в навантаженні е і індуктивністю силового ланцюга двигуна L. Напруга навіть при формуванніпостійного струму періодичну несинусоїдальну залежність з періодом />. Як наслідок струм, якийпротікає в навантаженні, містить пульсації відносного заданого значення, якезбільшується при збільшенні кута регулювання α. Якщо індуктивністьсилового ланцюга невелика, пульсації струму значні і при зменшенні йогосереднього значення струм стає уривчастим. Так в системі НПЧ – АД при m=3 зона уривчастого струму відповідаєзміні навантаження двигуна і відповідно, струму статора в межах від холостогоходу до (0,6 – 0,8)І1ном, при m=6 вона знижується і практично проявляється лише на холостому ході.
Корисну роботуелектропривода визначає середній момент, тобто перша гармоніка струму двигуназмінного струму. Пульсації струму при потрібному моменті створюють додатковівтрати в опорах якірного ланцюга, викликають додатковий нагрів двигуна, томуповинні обмежуватись на допустимому рівні. Режим уривчастого струму і моментудвигуна для швидкодіючих приводів з преціозним регулюванням швидкості можевикликати недопустиму нерівномірність руху двигуна механізма. В цьому та іншомувипадку знизити пульсації струму та обмежити уривчастого струму можна шляхомвведення згладжую чого реактора або вибором тиристорного перетворювача більшоїпульсності. Згладжуючий реактор – простіше і дешевше рішення, але додаютьсявтрати в його обмотці, перетворювач з великим m гарний, але досить дорогий. Якщомаємо справу з проектуванням системи НПЧ – АД, необхідно враховувати, щовведення згладжуючого дроселя в кожну фазу двигуна в номінальному режимі можепотребувати збільшення номінальної напруги перетворювача та інші аналогічніефекти.
Дляелектроприводів середньої і великої потужності головні енергетичні проблемилежать в сфері взаємодії електропривода з живлячою мережею і в багатьох випадкахна вибір системи електропривода виявляють вирішальний вплив її показники якостіенергоспоживання. Дискретний фазо – імпульсний принцип управління тиристорнимиперетворювачами, несинусоїдальність напруги і струму навантаження викликаютьзсув споживаного із мережі струму і спотворення його форми. Якщо якимось шляхомвизначити (наприклад, виміряти) споживану із мережі активну потужність Р, діючезначення споживаного із мережі струму І1 і напруги мережі U1, можна проаналізувати складовіенергоспоживання вентильного електропривода.
Повна потужність(максимальна активна потужність, яку споживав би електропривод при даних І1та U1, якщо б не було зсуву і спотворень):
/> (4.2.2)
Активна потужність являє собою середнє значення миттєвої потужності зацикл:
/> (4.2.3)
де u1 і i1 – миттєві значення напруги і струму.
Повна реактивнапотужність обумовлена наявністю зсуву у вищих гармоніках струму:
/> (4.2.4)
Реактивна потужність зсуву:
/> (4.2.5)
де Т – реактивна потужність спотворення, обумовлена взаємодією джерелаЕРС мережі з вищими гармоніками струму.
На жаль, повідомим значеннях Р, І1 та U1 визначити окремо складові повної реактивної потужності невдається. Для перетворювача постійного струму (в тому числі і в схеміперетворення частоти з ланкою постійного струму) можна оцінити кут зсуву першоїгармоніки струму відносно напруги:
/> (4.2.6)
де α – кутрегулювання, γ – кут комутації вентилів.
Якщо прийнятинапругу синусоїдальною, реактивна потужність зсуву визначається лише першоюгармонікою струму. При цьому:
/> (4.2.7)
Звідси:
/> (4.2.8)
При необхідності по відомій активній потужності можна визначити активнускладову основної гармоніки струму:
/>, (4.2.9)
а далі ефективне значення основної гармоніки струму:
/> (4.2.10)
При несиметричному навантаженні фаз виникаєдодаткова складова реактивної потужності – потужність несиметрії, яку вважаючиперетворювач симетричним, не враховуємо.
Розглянутіскладові дозволяють дати визначення відповідних коефіцієнтів, якіхарактеризують якість енергоспоживання. Коефіцієнт потужності:
/> (4.2.11)
Коефіцієнт зсуву характеризує співвідношення між активною потужністю іреактивною потужністю зсуву:
/> (4.2.12)
Коефіцієнт спотворень:
/> (4.2.13)
Для розглядаємих симетричних перетворювачів його можна визначитивідношенням основної гармоніки струму мережі до його діючого значення:
Кс=І1(1)/І1(4.2.14)
Коефіцієнт потужності характеризує ефективність енергоспоживанняелектропривода – ступінь використання повної потужності, яка завантажує мережу,і може бути виражений через складові енергетичні коефіцієнти:
Км=Кз·Кс(4.2.15)
а при наявностінесиметрії енергоспоживання по фазах:
Км= Кз·Кс·Кн(4.2.16)
де Кн=/> - коефіцієнт несиметрії.
Таким чином,вентильні перетворювачі негативно впливають на роботу живильної мережі. Принизьких значеннях коефіцієнта потужності електропривод завантажує мережуреактивним струмом основної гармоніки, яка несе активну потужністьелектроприводу і наповнює мережу циркуляцією струмів вищих гармонік. Ціреактивні струми, протікаючи по опорах живильної мережі викликають додатковівтрати активної потужності, а вищі гармоніки струму при збільшенні числа іпотужності вентильних електроприводів здатні викликати недопустимі спотвореннянапруги мережі, які порушують нормальну роботу інших споживачів. При переходідо масового використання в промисловості вентильних електроприводів в сфері електропостачаннявиникли і інші проблеми, обумовлені вищими гармоніками струму резонансні явищав батареях конденсаторів, які раніше успішно використовувались для компенсаціїреактивної потужності. В результаті резонанса збільшується вихід із ладуконденсаторів. Це вимагало переходу до використання фільтро – компенсуючипристроїв, кожний ланцюг яких містить послідовно з'єднані батареї конденсаторіві індуктивності з на лаштуванням даного ланцюга фільтра на певну найбільшсуттєву вищу гармоніку струму.
Припустимо,здійснюється вибір системи для потужного електропривода постійного струму іздвох варіантів – використовуємо, але застарівши система Г – Д і сучасна системаТП – Д.
З давніх пір дотеперішнього часу для збудження генераторів використовують силові реверсивнімагнітні підсилювачі – пристрої прості, надійні, але недосконалі. Низький ККД(близько 35%), великі габарити, невисокий коефіцієнт підсилення і ряд іншихнедоліків не дозволяють реалізувати потрібну швидкодію привода, реальнийкоефіцієнт форсування процесів збудження генератора αф max≤ 2. В останні рокивони знімаються з виробництва, тому в замінюваній системі в якості збуджувачагенератора вже використовують реверсивний тиристорний перетворювач і обмоткузбудження синхронного двигуна, яка раніше підключалась до некерованого джерела,забезпечили для цілей автоматичного регулювання нереверсивним тиристорнимзбуджувачем. Вибір коефіцієнта форсування і αф≤10 івикористання мікроелектроніки в системі управління забезпечує швидкодію іточність системи Г – Д на рівні, що не поступається системі ТП – Д. При цьомусистема ТП – Д приваблює високим ККД, кращими малогабаритними показниками,кращою технологічністю і меншими потребами в дефіцитній міді і електротехнічнійсталі.
Якщо вибірзупинений на системі ТП – Д, можна вжити заходів щодо покращення її техніко –економічної ефективності за рахунок зменшення потрібної потужності фільтро –компенсуючого пристрою. В двохмосовому перетворювачі з природною комутацієюзниження споживання реактивної потужності зсуву можна забезпечити шляхомпочергового управління мостами. Використавши аналогічний перетворювач з штучноюкомутацією вентилів, можна практично повністю виключити реактивну потужністьзсуву і обмежитись установкою нерегульованого фільтра найбільш суттєвих гармонікструму.
5. Застосуваннярегульованого електроприводу насосних агрегатівПризастосуванні енергозберігаючого обладнання припускає заміну насосних агрегатівна сучасне устаткування з більш високим ККД. Прикладом можуть служити насоси GRUNDFOSS (Німеччина) чи FLYGT (Швеція). Цейметод на сьогодні застосовується рідко через великі капіталовкладення і, восновному, при новому будівництві.
Найбільш перспективним на сьогоднішній день є застосування регулюємогоелектроприводу. З огляду на нерівномірний характер водоспоживання, для насоснихстанцій виникла вкрай гостра потреба плавного регулювання їхньої продуктивності(напір і подача).
Традиційнопродуктивність насосних станцій у системах водопостачання та водовідведеннярегулювалася ступінчасто або дроселюванням напірними засувками. Але такіспособи регулювання є неекономічними. Крім того, збільшується знос устаткуваннячерез часті пуски і зупинки агрегатів; частіше виходять з ладу напірні засувки,внаслідок того, що засувка є запірною арматурою і не призначена длярегулювання. Плавне регулювання продуктивності насосних агрегатів може бутизабезпечено кількома способами:
Ø застосуваннямдвигунів постійного струму, число обертів яких змінюють шляхом регулюваннянапруги живлення;
Ø застосуваннямрізноманітних муфт ковзання (індукційних, гідравлічних, електромагнітних);
Ø зміноючастоти напруги двигуна агрегату (регулюємий електропривод);
Найбільшепоширення в даний час має спосіб, при якому в спеціальному тиристорномуперетворювачі напруга частотою 50 Гц може бути перетворена у напругу заданоїчастоти. Як відомо, швидкість обертання електродвигуна прямо пропорційначастоті наруги живлення. Змінюючи число обертів, можливо домогтися зміни подачіQ, напору Н, потужності N у наступній залежності:
/>; />;/> (5.1)
де n1 і n0 – число обертів електродвигуна призміненій (n1) і номінальній (n0) частоті напруг живлення;
Н1 і Н0– напір насосного агрегату;
Q1 і Q0–подача насосного агрегату;
N1 і N0– потужність, споживана агрегатом;
Розглянемодетальніше методи регулювання подачі і напору.
Регулюванняшляхом дроселювання зводиться до зменшення потовк води в трубопроводі, щозумовлює додаткові витрати електроенергії, так як насос постійно повинен переборюватипротивотиск, створений напірною засувкою.
Потужність,споживану насосом, знаходимо по формулі:
/> (5.2)
де Р –потужність, кВт;
Q – подача, м3/с;
Н – напір, м;
q — щільність;
g — прискорення вільного падіння;
З формули 5. 2бачимо, що потужність знаходиться в прямій залежності від подачі та напору
На малюнку 5.1показано зміну характеристик мережі при регулюванні подачі і напору насоса задопомогою дроселювання напірною засувкою, характеристика насоса при цьомузалишається незмінною. Точка А є робочою точкою при максимальній подачі, прицьому потрібна потужність дорівнює: 1·1=1. Точка В є робочою точкою при 70%подачі: Q=0,7; Н=1,25. Потрібна потужністьдорівнює: 0,7·1,25=0,875.
На малюнку 5.2показана зміна характеристик при регулюванні продуктивності насоса шляхомкерування швидкістю обертання внаслідок встановлення регулюємогоелектроприводу. При цьому характеристика насосу зсувається паралельнопаспортній до початку координат, а характеристика мережі залишається незмінною.Точка А є робочою при максимальній подачі. Потрібна потужність дорівнює: 1·1=1.Точка В є робочою точкою при 70%. Потрібна потужність при цьому: 0,7·0,6=0,42.
На сьогоднівітчизняні виробники випускають наступні типи регулюємого електроприводу:
Для синхроннихдвигунів з напругою живлення 6 кВ:
Ø тип ПЧСВ,ПЧСН (АТЗТ НПЕК «Елетекс», м. Харків);
Ø СТ 10(корпорація «Тріол», м. Харків);
Застосуваннярегулюємого електроприводу призводить крім економії електроенергії до додатковихпозитивних факторів:
Ø зменшенняаварійності на водомережі за рахунок виключення поштовхів та гідро ударів прирегулюванні і плавному пуску чи зупинці агрегатів;
Ø збільшеннямоторесурсу насосних агрегатів і запірної арматури:Найбільший ефект від застосування регулюємого електроприводудосягається при побудові на його базі систем автоматичного регулювання напору уводомережі. При цьому напір може автоматично підтримуватись за заданимзначенням напору в контрольній точці мережі або на виході насосної станції.
/>
Мал. 5.1.Характеристики Q – H насосу та мережі при дроселюваннінапірною засувкою
/>
Мал. 5.2.Характеристики Q – H при змінюванні числа обертів насосуза допомогою регулюємого електроприводу
Намизапропоновані наступні заходи:
1. ВНС – 1.Пропонується встановлення одного регулюємого електроприводу типу ПЧСВ на НА 600В – 1,6/100 А.
Початкові дані:
Потрібний напір — Нп=54 м;
Потрібнапродуктивність — Qп=2630 м3/год;
Номінальний напір- Нн=100 м;
Номінальнапродуктивність — Qн=5760 м3/год;
Номінальне числообертів — nн=750 об/хв;
Потужністьнасосного агрегату: Nн=1600 кВт;
Висота підйомуводи при нульовій продуктивності — Нф=125 м;
Відноснамінімальна подача води — />;
Відноснийфіктивний напір — />;
/> (по розрахунковим кривим [4]).
Потрібне числообертів знаходимо з формули:
/> (5.3)
/> об/хв.
Економіюелектроенергії знаходимо по формулі:
/> (5.4)
де Nн – номінальна потужність насосного агрегату,кВт;
Т – час роботинасосного агрегату за рік (Т=8760 год);
/> -параметр, що характеризує відносні втрати електроенергії, викликаніперевищенням напору.
/>
Що складає 29%від загального споживання електроенергії ВНС –1 за рік.
2. ВНС – 2.Пропонується встановлення одного регулюємого електроприводу типу ПЧСВ на НАД6300 – 80.
Початкові дані:
Потрібний напір — Нп=65 м;
Потрібнапродуктивність — Qп=2320 м3/год;
Номінальний напір- Нн=90 м;
Номінальнапродуктивність — Qн=6300 м3/год;
Номінальне числообертів — nн=750 об/хв;
Потужністьнасосного агрегату: Nн=1600 кВт;
Висота підйомуводи при нульовій продуктивності — Нф=112,5 м;
Відноснамінімальна подача води — />;
Відноснийфіктивний напір — />;
/> (по розрахунковим кривим [4]).
Потрібне числообертів знаходимо з формули (5.3):
/> об/хв.
Економіюелектроенергії знаходимо по формулі (5.4):
/>
Що складає 19%від загального споживання ВНС – 2.
На малюнку 5.3наведено споживання електроенергії насосними станціями до та після впровадженнязапропонованих заходів.
/>Мал. 5. 3.Споживання електричної енергії до та після впроваджених заходів
ВисновкиМетоюроботи було дослідження потенційного енергозбереження внаслідок впровадженнярегулюємого електроприводу на насосні агрегати у водонасосних станціяхполтавської філії ВАТ «Полтававодоканал». Внаслідок проведенихрозрахунків можна стверджувати, що встановлення електроприводу типу ПЧСВ нанасосний агрегат водонасосної станції 1 дозволяє знизити споживання електричноїенергії з 10282,5 до 7339,5 тис. кВт·год / рік, що становить 29% від загальногоенергоспоживання станції. Впровадження аналогічних заходів на рештіводонасосних станцій дає такі результати:
Ø наводонасосній станції 2 енергоспоживання можливо знизити з 12822,6 до 10439,9,що становить 19%;
Ø наводонасосній станції 2 енергоспоживання можливо знизити з 10935,3 до 8745,3, щостановить 20%;
Ø наводонасосній станції 2 енергоспоживання можливо знизити з 7627,4 до 6575, щостановить 14%;
Таким чином,загальна економія електроенергії по підприємству внаслідок запропонованихзаходів складе 20,56%.
Списоквикористаної літератури
1. Алиев И.И. Справочник по электротехнике и электрооборудованию. –М.: Высшая школа, 2002. – 255 с.
2. ДСТУ 4065 – 2001 «Енергетичний аудит».Загальні технічні вимоги.
3. Ключев В. И,Терехов В. М. Электропривод и автоматизация общепромышленных механизмов. -М.:Энергия, 1980. – 360 с.
4. ЛеоновБ.С. Энергосбережение и регулируемый електропривод в насосних установках. – М.:ИК «Ягорба» – «Биоинформсервис», 1998. – 180 с.
5. Минаев А. В., Карелин В. Я. Насосы инасосные станции. – М. – Стройиздат., 1998 г.
6. МоскаленкоВ. В. Электрический привод. – М.- Высшая школа, 1991 г.
7. Номенклатурнийкаталог ХЕМЗ, Харків, 2004 р.
8. ПоповичМ. Г., Ковальчук О.В. Теорія автоматичного керування. – К.: Либідь, 1997. – 544с.
9. Прайс –лист Сумського заводу «Насосенергомаш», 2004 р.
10. Информационно –аналитический журнал «Энергосбережение», 2002.
Додаток 1Технічні характеристики устаткування водонасосних станційНайменування станції Тип насоса
Продуктивність насоса, м3/год Напір, м Тип двигуна Потужність двигуна, кВт Напруга живлення, кВ Число обертів, об/хв Номінальний струм статора, А ВНС 1 600 В – 1,6 /100 А 5760 100 ВСДН – 16 – 36 — 8 1600 6 750 276 ВНС2 Д 6300 – 85 6300 90 СДН2 – 11 – 44 – 8 1600 6 750 276 ВНС3 Д 4000 – 90 4000 90 СДН2 – 16 – 49 – 6 1250 6 980 200 ВНС4 Д 3200 – 75 3200 75 СД2 – 85/57 – 6у 800 6 980 90
Додаток 2
Режим роботиводонасосних станцій за характерну добу (10. 06. 2006)Години Найменування об'єкту
Середній тиск на виході за годину, кгс/см2
Подача води за годину, м3 Витрати електроенергії, кВт · год
Фактична питома витрата, кВт · год/м3 Усереднений ККД 0 – 24 ВНС – 1 4,5 2590 1200 0,463 0,27 0 – 24 ВНС – 2 4,4 2310 1410 0,61 0,2 0 – 24 ВНС – 3 9,2 2250 1320 0,586 0,44 0 — 24 ВНС — 4 2,8 2160 800 0,37 0,21