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. д.
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. 1. 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. е. 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).
Точка пересечения Q—H-характеристик насоса и сети определяет параметры Н—Нn и Q—Qn. Регулирование подачи Q насоса, работающего с постоянной скоростью, обычно осуществляется задвижкой на его выходе и приводит к изменению характеристики сети, в результате чего точке ее пересечения с характеристикой насоса соответствует подача QA*< 1.
Рис. 2. 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. 1.
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. д.
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.
Смотрите также по этой теме: Частотные преобразователи VLT AQUA Drive для насосных установок