Мета: Вивчення шляхів реалізації енергозбереження засобами промислового електропривода
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ДВНЗ «КРИВОРІЗЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ»
Кафедра автоматизованих електромеханічних систем в промисловості та транспорті
Методичні вказівки
до лабораторних робіт з дисципліни «Системи керування енергоспоживанням тягових електроприводів»
для студентів спеціальності 7. 05070203 «Електричний транспорт»
м. Кривий Ріг
2014 р.
Укладач Омельченко О.В., доцент
Рецензент:
Відповідальний за випуск:
Розглянуто на засіданні Схвалено на засіданні вченої ради
кафедри автоматизованих електротехнічного факультету.
електромеханічних систем
в промисловості та транспорті
Протокол № Протокол №
від «» 201 р. від «» 201 р.
Лабораторна робота №1.
Тема. Шляхи реалізації енергозбереження засобами промислового електропривода
Мета: Вивчення шляхів реалізації енергозбереження засобами промислового електропривода.
Перший шляхстосується простого некерованого наймасовішого електроприводу і полягає у вдосконаленні процедури вибору двигуна для конкретної технологічної установки з метою дотримання номінального теплового режиму двигуна при експлуатації.
Постановка завдання очевидна – двигун заниженої потужності швидко виходить з ладу, а двигун завищеної потужності перетворює енергію неефективно тобто з високими питомими втратами в самому двигуні (низький ККД) і в мережах живленнях (низький cosj). Розв’язання задачі не завжди елементарне, зустрічаються помилки, а оскільки простих найпростіших електроприводів мільйони, то можливі великі збитки. У випадках, коли навантаження незмінне, помилки викликані лише низькою кваліфікацією розробників (двигун вибирали за діаметром вала). Коли навантаження змінюється, вибір виявляється значно складнішим, що додатково ускладнюється недостатністю вихідної інформації, паспортних і каталожних даних.
У основі взаємовідносин між енергопостачальною організацією і підприємством лежать встановлювані, з урахуванням тих або інших факторів тарифи на електроенергію. Недосконалість тарифу очевидна, оскільки він не враховує якість споживаної енергії і вплив цього параметра на характеристики електроустаткування.
Мінімальні витрати енергії можливі при різному ступені аварійності електроустаткування, що є досить складною функціональною залежністю від стану устаткування, рівня його обслуговування, стану енергетичного господарства в цілому, включаючи й характеристики електроенергії. Загальні витрати включають не лише плату за електроенергію, перетворену тим або іншим способом у корисний продукт, але й витрати на ремонт та обслуговування електроустаткування. З цієї причини доцільніше розглядати показник, який дорівнює сумі безпосередніх платежів за електроенергію і витрат на відновлення електроустаткування
З = С1 + С2
де С1 – витрати на електроенергію, визначені за триставковим або зонним тарифом;
С2 – вартість ремонтів, відновлення електроустаткування.
Останній показник досить високий і в основному характеризує стан енергогосподарства: при задовільному – витрати на ремонт мінімальні, при незадовільному – порівняні з платежами по основних статтях.
Відомо, що в окремих підгалузях промисловості аварійність електродвигунів коливається від 20 до 60–70 % в рік, причому вказані показники відрізняються навіть у разі однотипних підприємств або виробництв. Характерно, що при загальному спаді виробництва кількість аварійних виходів машин не зменшується, а зростає.
З урахуванням недовантаження електричних машин в нормальному технологічному режимі на 20–25 % і зниженні продуктивності в 2,5–3 рази витрати на ремонт двигунів (при напрацюванні на відмову 4000 годин) впритул наближаються до вартості електроенергії, яку спожив би двигун за час експлуатації між двома ремонтами за умови, що ціна 1 кВт∙год знаходиться на рівні 0,13-0,15 грн. З урахуванням транспортних і інших витрат, пов'язаних з аварійним виходом двигунів з ладу, питомі витрати на ремонт наближаються до відповідного показника для нових заводських машин.
Другий шлях –підвищення економічності масового нерегульованого електроприводу – перехід на енергозберігаючі двигуни і двигуни поліпшеної конструкції, спеціально призначені для роботи з регульованим електроприводом.
У енергозберігаючих двигунів за рахунок збільшення маси активних матеріалів (залізо та мідь) підвищені номінальні значення ККД і cosj енергозберігаючі двигуни використовуються, наприклад, в США, і дають ефект при постійному навантаженні. Доцільність застосування енергозберігаючих двигунів повинна оцінюватися з урахуванням додаткових витрат, оскільки невелике (до 5%) підвищення номінальних ККД і cosj досягається за рахунок збільшення маси заліза на 30–35%, міді на 20–25%, алюмінію на 10–15%.
Орієнтовні залежності ККД і cosj від номінальної потужності для звичайних і енергозберігаючих двигунів фірми Гоулд приведені на рис. 1.1.
Рис. 1.1
Очікується зміна методик проектування двигунів, які відповідають їх застосуванню в складі саме регульованого електроприводу. Передусім це стосується асинхронного двигуна, для якого відмова від традиційних вимог фіксованої амплітуди і частоти мережі живлення, прямого включення в мережу живлення, забезпечення заданої перевантажувальної здатності призводить до істотної зміни конструкції і різкого поліпшення характеристик. Можна відмітити випуск серії асинхронних двигунів спроектованих фірмою Siemens для загальнопромислових електроприводів. Змінюється методика проектування й інших типів двигунів, розширюється їх номенклатура. Очевидно, варто очікувати різкого, вибухового поліпшення характеристик по-новому спроектованих двигунів для регульованого електроприводу, та відповідне коригування вимог до систем керування. Так прогнозується зростання частоти живлення двигунів в регульованому електроприводі до 500-1000 Гц і вище та зниження індуктивностей обмоток.
Спостерігається зростання випуску електропривода з синхронними двигунами зі збудженням від постійних магнітів (так званий безконтактний вентильний двигун (ВД) постійного струму). Ці двигуни мають найкращі масогабаритні показники. Серед інших типів двигунів виділимо індукторний двигун (Switch Reluctance Motor), який розроблений та активно пропонується останніми роками. Як стверджують розробники, його характеристики поліпшені, що в комбінації зі спрощеним силовим перетворювачем дозволяє сподіватися на його масове застосування.
Перспективним є також синхронно-реактивний двигун, який за прогнозами має масогабаритні показники, які знаходяться в проміжку між відповідними рекордними значеннями синхронного та асинхронного двигунів, а за енергетичною ефективністю можливо, перевершує їх, причому за нижчої вартості. Реактивні вентильні двигуни спрощують схеми комутаторів та якірних обмоток. При оптимізації кута випередження інвертора можна домогтися збільшення моменту та ККД приводу. Існує оптимальний кут випередження залежно від частоти обертання. Збільшення ККД досягається також за рахунок відповідного скорочування кроку обмотки.
На рис. 1.2 зображені максимальні потужності електричних машин (1 – синхронних з надпровідною обмоткою і з пуском за схемою ВД; 2 – синхронних з асинхронним пуском; 3 – постійного струму).
Для найкращого використання синхронного двигуна традиційної конструкції необхідно зменшити надперехідні реактивні опори (за рахунок відкритих пазів статора, збільшення повітряного проміжку, демпферної обмотки на роторі та ін.) і реакцію якоря (за рахунок збільшення повітряного зазору і вибором коефіцієнта полюсного перекриття).
Можна також відмітити, що Першотравневим заводом у Донбасі налагоджений випуск низьковольтних (380/660В) асинхронних короткозамкнених двигунів з підвищеним пусковим моментом (до 3–4 відн. од.). Такі двигуни ефективні в системах регульованого приводу та мають практично в два рази менший пусковий струм і можуть бути також використані в умовах вугільних шахт (у вибухо-пожежонебезпечних умовах).
Рис. 1.2
Третій шляхполягає в усуненні проміжних передач.
Суть проблеми полягає в тому, що електрична енергія доступна на фіксованій частоті (50 Гц), а механічна енергія вимагається в широкому спектрі частот (швидкостей). Методи, розроблені багато років тому для вирішення цієї проблеми, використовують дорогі системи генератор-двигун або механічні регулювальники.
До складу узагальненої схеми електропривода входять - перетворювач або механічний регулювальник (коробки швидкостей, муфта ковзання), муфта, редуктор і робочий орган, що є частиною робочої машини (рис. 1.3).
Рис. 1.3
Орієнтовні значення ККД елементів приводу складають:
– перетворювач – 
(менші значення для малих швидкостей обертання, великі для більших швидкостей);
– двигун – 
(менші значення для мікромашин, великі- для машин підвищеної потужності);
– механічний регулятор – 
;
– муфта – 
;
– редуктор – 
;
– робочий механізм – 
(для приводного барабана стрічкового конвеєра).
Коефіцієнт корисної дії системи електроприводу
,
де i – кількість з’єднувальних муфт.
Підстановка в формулу усереднених значень ККД для приводу з електродвигуном потужністю 10–100 кВт дає значення ККД у діапазоні h=0,65–0,75. При цьому в середньому від семи до десяти відсотків потужності втрачається в механічних передачах. Таким чином, усунення механічних передач призводить до істотного підвищення ККД системи (на 7–10%), що є однією з основних тенденцій розвитку електроприводу, а у перспективі – поєднання електродвигуна і робочого органу.
За способом передачі механічної енергії від валу двигуна до робочого механізму електропривод ділять на три групи:
– груповий (рис. 1.4,а), в якому кілька робочих машин приводяться у дію через передачі одним двигуном (привод зернозбирального комбайна);
– однодвигунний (рис. 4.4,б), у якому кожен механізм приводиться в дію одним двигуном;
– багатодвигунний (рис. 4.4,в), у якому окремий механізм приводиться в дію кількома двигунами (приводний барабан конвеєра барабан підйомної машини, привід повороту потужного екскаватора).
Рис. 1.4.
Впровадження одиночного приводу окрім зниження в кілька разів енергоємності виробництва за рахунок усунення безлічі проміжних передач і кращого використання встановленої потужності приводу, дозволило багаторазово підвищити надійність виконання технологічних процесів, крім того, понизити виробничий травматизм, обумовлений наявністю великої кількості відкритих механічних передач. Також покращати умови праці можливо за рахунок усунення звукових ефектів пов'язаних з роботою великої кількості ремінних та ланцюгових передач, різноманітних муфт, валів, які обертаються, завдовжки до 20 м, зубчастих і черв'ячних передач тощо.
Для приведення в дію робочого механізму необхідно прикласти деякий момент при певній швидкості. При цьому потужність на валу складе:
.
На рис. 1.5 показано розподіл енергії в однодвигунному одношвидкісному приводі.
Рис. 1.5
Умови змінюються, якщо регулювати швидкість такого устаткування, використовуючи редуктор фрикційного типу (муфта, ремінь, гідравлічне сполучення і т. д.). В цьому випадку момент на валу двигуна і робочого механізму однаковий, але швидкості різні (рис. 1.6). Таким чином, різниця потужностей перетворюється на тепло фрикційної передачі:
.
Інший приклад показаний на рис. 1.7. Як привод насоса використовується двигун з постійною швидкістю. Потік рідини контролюється закриттям і відкриттям клапана. Крім випадку, коли клапан повністю відкритий, енергія втрачається в клапані і насосі. Таким чином, регулювання дроселюванням неефективне.
Рис. 1.6.
Рис. 1.7.
Практично немає втрат у випадку, коли керування здійснюється за допомогою механічних передач (рис. 1.8), оскільки передача перетворить і момент, і швидкість. Їх добуток залишається постійним. При якісному обслуговуванні такі передачі мають дуже мале тертя. Таким чином, потужності на вході і виході приводу практично однакові. Проте передачі з постійним перемиканням непридатні для приводів з великою потужністю, вони дорогі й потребують частого обслуговування. Стаціонарні багаторівневі коробки передач, хоча й придатні для потужних приводів, мають усі вищезгадані недоліки.
Рис. 1.8
При виборі перспективних варіантів систем електроприводів слід враховувати можливість використання багатодвигунного електроприводу, який нині набув широкого поширення у промисловості. Його використання обумовлене такими причинами:
– відсутністю приводного двигуна, редуктора або іншої механічної передачі необхідної потужності;
– бажанням підвищити швидкодію приводу за рахунок зниження сумарного моменту інерції приводних двигунів;
– необхідністю забезпечення підвищеної надійності приводних пристроїв шляхом завищення встановленої потужності приводу, тобто створення резерву на випадок виходу з ладу одного або кількох двигунів;
– бажанням створення більш сучасних машин та механізмів (наприклад, стрічкових конвеєрів з двома і більше приводними барабанами, установок з проміжними приводами та ін.);
– необхідністю економії електроенергії в механізмах з великим діапазоном зміни навантаження (більше, ніж у 1,5 2 рази).
Застосування багатодвигунного приводу в складних технологічних установках найчастіше дозволяє значно спростити і здешевити їх за рахунок усунення складних та дорогих механічних передач між різними виконавчими органами. При цьому з'являються також можливості підвищення продуктивності, економічності та поліпшення інших експлуатаційних характеристик.
Четвертий шляхполягає в економії електроенергії робочими установками та механізмами за рахунок підвищення ефективності виконання технологічного процесу.
Промислові підприємства вимагають підвищення ефективності роботи технологічних установок і механізмів, особливо вугільні шахти, які є великими споживачами електричної енергії зі складним електроенергетичним господарством. Встановлена потужність окремих електроприймачів шахт складає десятки тисяч кіловат при річному споживанні електроенергії в десятки і навіть сотні мільйонів кіловат∙годин, одинична ж потужність окремих машин досягає декількох тисяч кіловат.
Структура електроспоживання шахти (рис. 1.9) залежить від багатьох чинників, основними з яких є глибина шахти, водонасиченість, продуктивність тощо (ДСТУ 30356-96 "Методи визначення норм витрачання електроенергії гірськими підприємствами"). Тут: 1 – видобувні роботи – 5,26%; 2 – підготовчі дільниці – 1,29%; 3 – підземний транспорт – 5,60%; 4 – кондиціонування повітря – 10,88%; 5 – водовідлив – 14,28%; 6 – підйом – 13,32%; 7 – вентиляція – 17,13%; 8 – технологічний комплекс поверхні – 3,75%; 9 – вироблення стиснутого повітря – 2,46%; 10 – інші електроприймачі – 20,58%; 11 – освітлення – 0,69%; 12 – втрати електроенергії – 4,76%.
Рис. 1.9.
Економія електроенергії установками та механізмами за рахунок підвищення ефективності виконання технологічного процесу включає такі основні заходи:
– узгодження режимів роботи установки при зміні навантаження;
– підвищення ККД установки;
– регулювання продуктивності установки;
– виконання оптимальної циклограми і впорядкування графіка навантажень;
– забезпечення нормованого завантаження (для підйомних машин, конвеєрів тощо);
– контроль стану технологічної установки;
– застосування нових видів електроприводу;
– організаційні заходи.
Особливості видобутку вугілля вимагають збільшення електроспоживання окремих електроприймачів. Так для водонасичення шахт вимагається установка десяти, а в деяких випадках і більшої кількості насосів. Для шахт крутого падіння вимагається розгалужена мережа стислого повітря з компресорним господарством в десятки тисяч кіловат. У глибоких шахтах вимагається збільшення потужності підйомної машини до 10 МВт. У таких умовах економія електроенергії в окремих споживачах і шахти в цілому може мати значну величину, що зрештою позначиться на зниженні собівартості видобутого вугілля.
П'ятий шляхполягає у виборі раціональних режимів роботи і експлуатації електроприводу. Сюди входять:
– вибір раціонального способу та діапазону регулювання швидкості електроприводу залежно від технологічних умов роботи машин і механізмів;
– вибір раціонального способу регулювання швидкості залежно від характеру зміни навантаження;
– підвищення завантаження робочих машин;
– виключення режиму холостого ходу;
– зниження напруги на затискачах двигуна;
– мінімізація струму і втрат енергії АД при зміні навантаження;
– оптимізація динамічних режимів;
– використання синхронної машини як компенсатора реактивної потужності;
– використання акумуляторів енергії.
Необхідність вивчення технологічного режиму робочої машини є основою для можливого комплексу заходів, які забезпечують ефективність енергозбереження. При цьому мова може іти як про регулювання швидкості технологічного агрегату, так і про його керованість. Під терміном "керованість" розуміється можливість зміни параметрів технологічного режиму за рахунок інших методів впливу, в тому числі і найпростіших – періодичних пусків і зупинок.
Розглядаючи, наприклад, електропривод турбомеханізмів, можна відмітити, що можливі три принципово різних способу регулювання технологічного параметру :
– аеродинамічним шляхом, який полягає у впливі на характеристики проточної частини (дроселюванням або установкою кута нахилу лопаток направляючого апарату). Спосіб пов'язаний з істотним зниженням ККД;
– зміною швидкості обертання шляхом застосування регульованого електроприводу. Це забезпечує практично незмінний високий ККД при істотному збільшенні капітальних витрат;
– шляхом включення і відключення кількох агрегатів у випадку, якщо працює група електроприводів.
Третій варіант регулювання має обмеження – по числу пусків нерегульованих електроприводів через небезпеку виходу з ладу електричних машин, з одного боку, і за числом пусків для технологічного механізму зважаючи на екстремальні технологічні навантаження в агрегаті, який запускається, при прямому некерованому пускові, з іншого. Аналіз показує, що при плавному керованому пускові практично виконуються дві приведені умови. Стосовно приводів змінного струму як варіант схеми керованого пуску може служити схема з тиристорним регулятором напруги (ТРН) в колі статора. Вартість таких пристроїв приблизно в п'ять разів нижче за вартості систем частотно-регульованого електроприводу. В окремих випадках застосування пускових систем підвищує час напрацювання на відмову синхронних двигунів у кілька разів, робочих коліс відцентрового насоса на 15 – 75 % тощо.
Іноді пуски двигунів ускладнюються через високу концентрацію робочого тіла в робочій частині турбомеханізму (руда в млині, заклинювання коліс насосів тощо). В таких умовах навіть при повній напрузі живлення пусковий момент двигуна може бути меншим моменту зрушення механізму і звичайна схема ТРН для пуску таких технологічних машин не дає необхідного позитивного результату. В цьому випадку виправдано переведення ТРН в режим перетворювача частоти, тобто застосування так званого квазічастотного керування. Цей захід дає позитивний результат, оскільки дозволяє здійснити передпускову прокрутку агрегату при частотах 0–0,7 Гц. Застосування пускових пристроїв дозволяє вирішити два пов'язані одне з одним завдання: забезпечити реальне енергозбереження засобами електроприводу та зберегти працездатність механічного і електромеханічного устаткування.
Зниження продуктивності машин і установок призводить до зниження ресурсу працездатності по низці факторів, так або інакше пов'язаних зі зростанням числа пусків електричних двигунів (у тому числі й регульованих електроприводів). При цьому необхідно враховувати таке:
– в умовах істотного зниження продуктивності агрегатів і процесів, відсутність можливості використання регульованого електроприводу через його дорожнечу, істотним резервом економії електроенергії є періодичні відключення енергоємних споживачів. При цьому необхідно використовувати спеціалізоване енергозберігаюче устаткування – пускові системи, які забезпечують як безпосередню економію енергоресурсів, так і працездатність електричних машин;
– насиченість парку електричними машинами, які були в ремонті, свідомо визначає досить високі витрати на ремонт електроустаткування. При цьому висока аварійність електричних машин визначається не стільки низькою якістю ремонту, скільки зміною характеристик конструкційних матеріалів (насамперед електротехнічної сталі), які призводять до перерозподілу втрат у двигуні та зміни теплового балансу і зниження реальної здатності навантаження;
– відхилення напруги живлення через відсутність засобів його ефективного регулювання, призводять до зростання споживаної реактивної потужності асинхронними двигунами, зниження її генерування синхронними машинами, збільшення втрат у сталі, підвищенню аварійності двигуна;
– будь-які форми неякісної напруги живлення, неякісне споживання енергії споживачем через зміни його внутрішніх характеристик призводять не лише до збільшення втрат але й до появи змінних складових електромагнітного моменту двигуна. Знакозмінні складові моменту є причиною високочастотних вібрацій усіх елементів конструкції, передчасного старіння ізоляції та підвищення аварійності електроустаткування.
Як правило, необхідність регулювання швидкості або моменту електроприводів виробничих механізмів диктується вимогами технологічного процесу. Наприклад пониження швидкості ліфта потрібне для точного позиціонування кабіни перед зупинкою. Проте існує ряд механізмів безперервного транспорту для переміщення твердих, рідких і газоподібних продуктів (конвеєри, вентилятори, насоси) з нерегульованим асинхронним електроприводом, який приводить в дію робочі органи з постійною швидкістю незалежно від завантаження механізмів. При неповному навантаженні робота з постійною швидкістю характеризується підвищеною питомою витратою електроенергії у порівнянні з номінальним режимом.
Зниження швидкості механізмів безперервного транспорту при недовантаженні дозволяє виконати необхідну роботу з меншою питомою витратою електроенергії. В цьому випадку економічний ефект з'являється також за рахунок поліпшення експлуатаційних характеристик технологічного устаткування. Так при зниженні швидкості зменшується знос органу транспортера, який тягне, збільшується термін служби трубопроводів за рахунок зниження тиску тощо. Ефект у сфері технології часто виявляється істотно вищим, ніж за рахунок економії електроенергії.
З іншого боку, висувається необґрунтоване бажання використовувати плавно регульовані системи приводу з великим діапазоном регулювання для цих установок. В той же час досить великий діапазон регулювання продуктивності для механізмів з характером вентилятора навантаження можна отримати при діапазоні зміни швидкості, який не перевищує 20%.
Як інший приклад можна привести ліфти в невисоких будівлях (до 16–24 поверхів), коли замість дорогої, складної і менш надійної плавно регульованої системи можна обійтися використанням двошвидкісного АД з короткозамкненим ротором та підвищеним пусковим моментом.
Такий привод дозволяє в декілька разів понизити робочу швидкість кабіни перед зупинкою, що зменшує знос гальмівного пристрою і збільшує саму точність зупинки. Пуск двошвидкісних двигунів – прямий на високу швидкість. Гальмування здійснюється перемиканням напруги на обмотку малої швидкості. При цьому двигун переходить в режим генераторного гальмування і частота його обертання знижується в 3–4 рази. Зупинка двигуна здійснюється відключенням від мережі обмотки малої швидкості і накладанням механічного гальма.
Наступний напрям енергозбереження належить до основних споживачів електричної енергії – електроприводів з нерегульованими АД, та полягає в створенні спеціальних схемних рішень, які забезпечують мінімізацію шкідливого впливу на енергетичні показники при відхиленні навантаження від номінального. Спеціальні регулятори електричної енергії (регулятори напруги), які включаються між мережею і статором двигуна, окрім функцій енергозбереження виконують й інші (керують режимами пуску та гальмування, регулюють швидкість і момент, здійснюють захист, діагностику тощо), тобто підвищують технічний рівень приводу, збільшують його надійність.
При роботі АД має місце недовикористання встановленої потужності або необґрунтоване завищення їх потужності, а також недовантаження. При цьому знижується ККД і коефіцієнт потужності АД. Регулювання напруги на статорі АД при постійній частоті забезпечує найбільш економічний режим його роботи при зміні навантаження. При цьому мінімізується споживаний асинхронним двигуном струм і тим самим втрати електроенергії в ньому.
Регулювання напруги АД в функції струму знижує втрати електроенергії до 5%, що при широкому застосуванні асинхронного електроприводу дозволяє отримати великий економічний ефект.
Проблема акумуляторів енергії для систем електроприводу є досить важливою. Накопичувачі енергії з різними фізичними принципами її акумуляції перспективні передусім для транспортних систем. Визначена перспектива в застосуванні накопичувачів – компенсаторів в електроприводах з різкозмінним навантаженням, як регульованих, так і нерегульованих. Нова елементна база і передусім, малогабаритні накопичувачі ємності, робить реальною передумови щодо створення принципово нових комплектних пристроїв для сучасного електроприводу – накопичувально-компенсаційних пристроїв з відповідними системами керування.
Шостий шляхполягає у виборі раціонального типу електроприводу для конкретної технологічної установки та переході від нерегульованого електроприводу до регульованого. Він припускає виконання таких операцій :
– аналіз технологічного процесу, умов експлуатації і, в результаті, розробка технічних вимог до електроприводу;
– вибір перспективних варіантів систем електроприводів, їх техніко-економічне порівняння та вибір раціонального типу електроприводу;
– розрахунок системи електроприводу, в тому числі встановленій потужності та розробка системи керування;
– розробка конструкторської документації.
Вдосконалення технологічних процесів і автоматизація виробництва пов’язані з застосуванням регульованого електроприводу. Застосування регульованого електроприводу сприяє вирішенню задач по забезпеченню оптимальних режимів роботи механізмів, зниженню собівартості та підвищенню якості продукції, яка випускається, зростання продуктивності праці підвищенню ефективності використання енергії, надійності і терміну служби устаткування.
Варто згадати, що асинхронні двигуни зі змінюваним опором у колі ротора (рис. 1.10) та двигуни постійного струму незалежного збудження з регульованим реостатом (рис. 1.11), здійснюють регулювання .
Рис. 1.10
З погляду енергозбереження найбільш ефективні регульовані електроприводи змінного струму, особливо для турбомеханізмів (вентиляторів, компресорів, насосів), підйомних машин, верстатів з ЧПУ тощо. Економія електроенергії може складати до 50%.
Рис. 1.11
Низка промислових механізмів (підйомно-транспортні механізми, механізми транспортно-складських і робототехнічних систем, ліфти тощо) працюють з частими включеннями, вимагаючи реалізації пуско-гальмівних режимів. Використання для керування такими механізмами відносно недорогих систем ТРН-АД дозволяє здійснювати режими плавного (м'якого) пуску і гальмування за рахунок формування необхідного часового закону зміни напруги першої гармоніки при пуску або значення постійної напруги при динамічному гальмуванні. Це забезпечує істотне зниження пускових струмів, зменшення енергоспоживання на 3-6% (залежно від потужності двигуна та інтенсивності роботи), а також вирішення ряду технологічних завдань (обмеження механічних ударів у кінематичних передачах, зниження прискорень і ривків, збільшення надійності і терміну служби устаткування).
Якщо за сукупністю вимог для керування механізмом доцільно використовувати частотно-регульований електропривод, то реалізація режимів частотного пуску та гальмування дозволяє понизити втрати енергії в перехідних режимах у кілька разів у порівнянні з некерованими перехідними процесами. В цьому випадку функціональна схема виглядає, як показано на рис. 1.12. В протилежність рис. 1.5 видно, що двигун змінного струму живиться електроенергією зі змінюваною частотою від перетворювача частоти (ПЧ). Оскільки швидкість двигуна відповідатиме частоті електричного струму мережі, то регулюючи частоту на виході перетворювача, отримуємо зміну швидкості двигуна. Втрати енергії, які спостерігалися на рис. 1.6, рис. 1.7, рис. 1.10 і рис. 1.11 зведені до нуля.
Рис. 1.12.
Дуже перспективні вентильні двигуни з постійними магнітами. Новим шляхом енергозбереження стає переведення двигунів на модульну конструкцію і оптимізація режимів їх роботи на базі мікроконтролерів, що дозволить у 3–5 разів понизити втрати енергії, в 2–3 рази зменшити масу двигунів.
При переході від нерегульованого електроприводу до регульованого слід пам'ятати, що:
– економія енергії часто досягається не за рахунок власне приводу, а за рахунок того процесу який привод обслуговує. При цьому економія може в багато разів перевершувати власне споживання енергії електроприводом;
– для отримання корисного енергетичного ефекту часто потрібне регулювання в невеликих межах за обмежених вимог до якості регулювання. Так, лише незначне регулювання швидкості насоса, який подає гарячу воду до будинку, забезпечує істотну економію дорогої гарячої води. Такий підхід дозволяє замість дорогих і складних перетворювачів частоти використовувати значно дешевші і надійніші регулятори напруги;
– нині спостерігається тенденція заміни регульованого приводу постійного струму на привод змінного струму. На сьогодні доля регульованого приводу змінного струму мала, проте вона постійно зростає.
У галузях промислового використання приводів постійного струму з'явився попит на надійніші безколекторні машини, при експлуатації яких вимагається менше витрат. Назріла також необхідність у застосуванні безконтактних приводів змінного струму, які забезпечують підвищення ККД та енергетичних показників установки, її продуктивність і надійність. У таких великих машинах, як шахтні стаціонарні установки, для економічного регулювання продуктивності необхідний безконтактний привод.
У підйомних установках підвищення ККД, надійності, ресурсу працездатності і зменшення експлуатаційних витрат неможливе без заміни приводу постійного струму на безредукторний безколекторний привід змінного струму з аналогічними регулювальними властивостями.
Економічна доцільність використання синхронних двигунів на потужних конвеєрах і технологічні вимоги обумовлюють необхідність застосування безколекторного або безконтактного регульованого приводу змінного струму з СД.
Сформовані традиції застосування синхронних двигунів, які склалися, для потужних турбомеханізмів з метою підтримки високих загальношахтних енергетичних показників при мінімальних витратах і вимоги регулювання продуктивності зміною частоти обертання робочого колеса свідчать про актуальність використання регульованого безколекторного приводу змінного струму з СД.
Одним з найбільш перспективних і універсальних типів електроприводів з синхронними машинами є безколекторний або безконтактний вентильний двигун, в якому регулювання швидкості і моменту здійснюється напругою, яка підводиться, струмом збудження та кутом випередження включення вентилів при самокеруванні по частоті живлення. Він має регулювальні якості машин постійного струму і надійність систем змінного струму.
Для широкого впровадження регульованого електроприводу необхідно вирішити безліч завдань, у тому числі такі:
– розробити спеціальні синхронні двигуни для застосування їх в системі вентильного двигуна (в тому числі індукторні);
– розробити спеціальні асинхронні двигуни з короткозамкненим ротором для застосування їх в системах частотно-регульованого електроприводу;
– зменшити вплив вентильних перетворювачів на мережу;
– створити перетворювачі, форма струму і напруга яких наближалася б до синусоїдної.
Істотне зниження енергоспоживання за рахунок широкого застосування регульованого електроприводу нині важко реалізовується з причини обмежених можливостей капіталовкладень з метою реконструкції електроприводів. Необхідно використовувати раціональний підхід, який поєднує можливості регульованого і нерегульованого, наприклад, керованого по пуску, який забезпечує ефект, досить близький до найбільш досконалих приводів. Слід враховувати і рівень обслуговування електроустаткування, яке, як правило, не відповідає стандартам, властивим регульованим приводам з високими технічними характеристиками. В зв'язку з цим, для отримання економічної ефективності при мінімальних витратах, необхідно розробити такі системи та заходи :
– системи полегшеного пуску синхронних двигунів електроприводів, які забезпечують економію електроенергії до 10–15 % і підвищення технічної надійності СД у 2–3 рази;
– системи плавного запуску групи потужних синхронних двигунів турбокомпресорів, насосів, вентиляторів за схемою ТРН-СД, які забезпечують підвищення надійності електричних машин, турбомеханізмів і зниження плати за електроенергію до 20%;
– пристрої та системи для керування рівнем напруги живлення, які забезпечують істотне зниження енерговитрат і підвищення працездатності електроустаткування;
– формування технологічного завантаження електродвигунів відповідно до сертифікаційних параметрів, одержаних у ході після ремонтних випробувань або при експлуатації;
– використання систем діагностики електроприводів, які базуються на енергетичних критеріях, що забезпечують визначення розподіл втрат і сертифікацію двигунів після їх ремонту на спеціалізованих підприємствах;
– формування графіків навантаження установок з потужними електроприводами, технологічними ємностями тощо.
Для приводів механізмів, які вимагають плавного пуску і незначного (до 10%) діапазону регулювання швидкості (насоси, вентилятори, компресори, конвеєри та ін.) застосовують регулятори тиристорів напруги. Завод ХЕМЗ виготовив і впровадив кілька таких систем у високовольтному виконанні (6кВ) для приводу механізмів з характером вентилятора навантаження. На Запорізькому електроапаратному заводі налагоджений випуск низьковольтних регуляторів напруги для керування двигунами потужністю до 100 кВт.
Аналіз режимів роботи регульованого і нерегульованого електроприводу вказує на неоднозначність поняття ефективної роботи приводів змінного струму в області частот обертання, близьких до номінальної. Очевидно, що тут є певний діапазон швидкостей, де застосування нерегульованого електроприводу раціональніше. Це пояснюється тим що будь-яка схема регульованого електроприводу окрім втрат енергії, що йдуть на її перетворення, приводить до додаткових втрат в самому двигуні і шкідливо впливає на мережу живлення та інші пристрої і системи. Під поняттям "шкідливо" розуміють передусім додаткові втрати, електромагнітну несумісність і передчасний знос електроізоляційних матеріалів.
Очевидна необхідність створення систем, які забезпечували б контроль зони економічної роботи (wн – Dw1 £ w £ wн +Dw2), а також значення швидкостей wвг та wнг, при яких робота приводу неефективна через технічні та інші обмеження з одного боку, і небезпечна при перевищенні допустимої швидкості, з іншого (рис. 1.13).
Рис. 1.13.
Сьомий шляхполягає у поліпшенні якості електроенергії засобами силової перетворювальної техніки регульованого електроприводу.
Регульований електропривод при роботі несприятливо впливає на мережу електропостачання, що виражається в зниженні коефіцієнта потужності на вході перетворювача, коливаннях напруги в мережі і спотворенні синусоїдної форми напруги.
Зниження коефіцієнта потужності збільшує реактивну потужність системи електропостачання, що призводить до додаткових втрат напруги і енергії а вимагає збільшення пропускної спроможності її елементів.
У електричних мережах підприємства з сучасним устаткуванням вентильні перетворювачі знаходять все більш широке застосування, питома вага нелінійних навантажень безперервно зростає. В цих умовах рівень вищих гармонік в кривих напруги мережі нерідко сягає 10–15%.
Несинусоїдність напруги і струму обумовлює додаткові втрати і нагрів, а також прискорене старіння ізоляції електродвигунів, трансформаторів і, крім того, негативно позначається на функціонуванні різних видів електроустаткування. Специфічна дія на різні види електроустаткування, системи релейного захисту, автоматики, телемеханіки і зв'язку проявляється диференційовано і залежить від амплітудного спектру напруги (струму), параметрів електричних мереж та інших факторів. У загальному випадку відсутня залежність між енергією гармонічної перешкоди і ступенем дії її на електричну мережу. Ця обставина зумовила широке застосування показника, який характеризує спотворення кривої напруги мережі на затискачах електроприймачів і який називається коефіцієнтом несинусоїдності напруги, %
де Un і Uн – напруга n-ї гармоніки і номінальна напруга мережі.
Згідно ДСТУ 13109-87 допустиме значення kнс обмежується 5% з інтегральною вірогідністю 95% за час вимірів, зазначений у стандарті. Номер останньої з гармоніки, яка враховуються, не наведений. Він може бути визначений у конкретних випадках, виходячи із загальноприйнятого в електротехніці 5%-го рівня значущості результатів. Не враховуються в розрахунку kнс гармоніки, нехтування якими призводить до додаткової похибки понад 5%.
У стандарті не вказуються допустимі значення kнс, значення окремих гармонік напруги і струму у вузлах мережі; немає також вказівок щодо характеру частотної характеристики мережі. Вимоги ДСТУ 13109-87 стосуються електричних мереж загального призначення, тому в деяких випадках може бути допущено kнс>5%. Наприклад на шинах перетворювачів прокатних станів допустиму несинусоїдність напруги визначають виходячи з умов нормальної роботи перетворювачів за відсутності на їх шинах інших навантажень.
Остання обставина послужила причиною обмежень несинусоїдності напруги на вищих ступенях напруги, які зазначені в стандартах деяких країн. Так, у Швеції для мереж 0,25-0,43 кВ допустимі значення kнс відповідають 4%, для мереж – 3,3-24 кВ – 3%, 36-72 кВ – 2% вище 84 кВ – 1%. У Японії для мереж 11-66кВ і більше – відповідно до 2 і 1%. У Європейському стандарті EN 50.006 допустимих значень гармонік напруги задаються на затискачах еталонних опорів, що рівносильне нормуванню гармонік струму.
Обмеження гармонік струму, генерованих окремими нелінійними навантаженнями або проникаючих з розподільчих мереж у мережі енергосистеми в найбільшій мірі сприяє зменшенню впливу гармонійних перешкод на інші електроприймачі та електричні мережі. Так, у Франції та Німеччині ці струми обмежуються 5% діючого значення усіх вищих гармонік струму, генерованих нелінійними навантаженнями цеху або підприємства. В публікації 555-2 МЕК передбачено обмеження гармонік струму, які генеруються побутовими електроприладами в низьковольтній системі електропостачання.
Створення і освоєння промисловістю високоефективних силових електронних приладів типу IGBT, GТО тощо дозволило істотно розширити функції силових електронних пристроїв, які використовуються для регулювання якості електроенергії. Вирішення цих задач стало особливо актуальним у зв'язку з реалізацією програм енергозбереження. За останні роки в промислових країнах впроваджені стандарти з жорсткими вимогами до якості електроенергії.
Традиційно для регулювання якості електроенергії використовувалися тиристорні стабілізатори, компенсатори реактивної потужності та пасивні фільтри. Нова елементна база силової електроніки дозволяє створювати перетворювачі змінного/постійного струму, які працюють у 4-х квадрантах комплексної площини на стороні змінного струму з імпульсною модуляцією на підвищених частотах (Цей термін відповідає новому стандарту МЕК 60030551). Це дозволяє керувати потоками електроенергії в будь-якому напрямі за заданим законом.
На рис. 1.14 представлений принцип роботи чотириквадрантного перетворювача (напруга має синусоїдну форму, а струм – трапецієподібну, при цьому фазовий зсув відповідає квадранту площини на векторній діаграмі).
Рис. 1.14
При підключенні накопичувачів енергії до перетворювача з боку постійного струму стає можливим здійснювати обмін реактивною потужністю, що включає потужність вищих гармонік між мережею змінного струму і накопичувачем. Така схема лежить в основі більшості сучасних методів регулювання якості електроенергії.
При коливаннях напруги, особливо в малопотужних електросистемах (невеликі струми короткого замикання), існує проблема їх компенсації оскільки в цьому випадку вимагаються високошвидкісні пристрої компенсації реактивної потужності.
В такому випадку ефективне рішення проблеми може бути здійснене за допомогою нового покоління статичних компенсаторів тиристорів – СТК-лайт, розроблених компанією "Асеа Браун Боверн" (АВВ).
Технологія компенсаторів СТК-лайт використовує в принципі ту ж технологію перетворення напруги мережі, яка вже багато років застосовується в електродвигунових установках. Причиною того що ця технологія не була впроваджена в пристрої компенсації реактивної потужності раніше, був факт відсутності керованих напівпровідникових пристроїв великої потужності.
Питання до лабораторної роботи
1.Які шляхи реалізації енергозбереження засобами промислового електропривода вам відомі?
2.Опишіть перспективи синхронно-реактивно двигуна.
3. Проблема акумуляторів енергії для систем електроприводу.
4. Що традиційно використовується для регулювання якості електроенергії.
Лабораторна робота №2.