Современные требования к энергоэффективности промышленных процессов и уменьшению затрат на электроэнергию побуждают инженеров и технологов внедрять частотно-регулируемые электроприводы. Эта технология позволяет не только повысить производительность и точность управления, но и значительно сократить потребление электроэнергии.
Частотно-регулируемые приводы (ЧРП) приобретают все большее распространение в различных отраслях промышленности — от жилищно-коммунального хозяйства до машиностроения и химической промышленности, — где точное регулирование скорости вращения электродвигателей и их энергоэффективность играют ключевую роль.
Потребление электроэнергии на промышленных объектах зачастую достигает половины от общего объема выработки. Значительная часть этой энергии используется приводными системами насосов, вентиляторов, компрессоров и других механизмов, чья работа сопровождается значительными затратами на запуск, разгон и торможение. Здесь применение частотных преобразователей позволяет оптимизировать энергопотребление, обеспечивая более экономичные режимы работы и снижая потери при переходных процессах.
Эта статья посвящена рассмотрению возможностей энергосбережения, которые предоставляют ЧРП. Здесь будут раскрыты основные подходы к настройке и оптимизации параметров привода, обеспечивающие минимальные потери энергии без ущерба для производительности.
Значение частотно-регулируемого привода для энергосбережения
Применение частотно-регулируемого электропривода переменного тока позволяет значительно улучшить технологические процессы в жилищно-коммунальном хозяйстве, бумажной, деревообрабатывающей, химической, пищевой, машиностроительной промышленности и, что наиболее актуально, — снизить потребление электроэнергии.
Структура потребления электроэнергии на сегодняшний день такова, что примерно половина вырабатываемой электроэнергии расходуется на нужды промышленного производства, причем, по последним экспертным оценкам не менее 1/3 потребляется приводами турбомеханизмов: насосами, вентиляторами, компрессорами. Чуть менее 2/3 от общей потребляемой электроэнергии в промышленном производстве приходится на долю массовых приводных устройств (до 30 кВт).
Поэтому в связи с постоянным повышением цен на электроэнергию сочетание ставших распространенными терминов «энергосбережение», «энергетическая эффективность» с понятием «электропривод» представляется вполне естественным и закономерным.
Режимы работы частотных преобразователей и их влияние на энергопотребление
Опыт внедрения немалого числа частотно-регулируемых электроприводов на различных объектах промышленного производства показывает, что как при выборе, так и при эксплуатации специалисты предприятий далеко не в полной мере владеют информацией о режимах работы промышленных преобразователей частоты, позволяющих оптимизировать энергопотребление.
Независимо от фирмы-производителя в большинстве преобразователей частоты есть набор специальных, программируемых с пульта функций, дающих возможность организовать энергосберегающие режимы работы приводных установок турбомеханизмов, центрифуг, мешалок, конвейерных линий, станочных механизмов, подъемно-транспортных механизмов, дозирующих машин, моталок, рольгангов, испытательных стендов и т. д.
При этом следует иметь в виду то обстоятельство, что состав функций, поддерживающих энергосберегающие режимы, зависит от типа, модели управления, реализуемой в конкретном преобразователе частоты: упрощенная скалярная система с алгоритмом U/f = const, расширенная версия U/f = const, созданная специально для управления турбомеханизмами, векторная система управления, вариант векторной системы с прямым управлением моментом.
Наряду с набором функций, установка значений параметров которых позволяет оптимизировать электропотребление привода без нарушения или ограничения нормального режима работы оборудования, в ряде модификаций преобразователей частоты имеется специальная функция энергосбережения.
Оптимизация режимов работы приводных установок для минимизации энергопотребления
Значительные возможности в плане оптимизации энергопотребления заключены в использовании и настройке ряда штатных параметров, обеспечивающих:
- выбор оптимальной зависимости напряжение/частота (U/f);
- организацию работы по датчику технологического параметра;
- выбор режимов разгона, останова и торможения;
- выбор времени разгона и торможения;
- компенсацию скольжения и момента вращения;
- процедуру идентификации параметров электродвигателя и адаптивной настройки системы регулирования;
- выполнение функции обнаружения превышения момента вращения.
Выбор зависимости напряжение/частота (U/f) включает определение и ввод значений группы параметров, образующих оптимальную по условию наименьшего энергопотребления зависимость напряжения от частоты для конкретного приводного устройства.
Работа с датчиком технологического параметра (температура, давление, скорость протекания процесса, расход и т. д.) в режиме автоматического регулирования позволит не только стабилизировать на заданном уровне требуемое сочетание физических параметров, но и оптимизировать их значения для достижения минимального энергопотребления.
Практические подходы и примеры энергосбережения в промышленных установках
Наглядным примером реализации режимов энергосбережения средствами преобразователя частоты может служить регулирование процессов на водонапорных башнях, перекачивающих станциях и очистных сооружениях.
Электродвигатель любого мощного насоса потребляет значительно меньший пусковой ток, чем при прямом пуске за счет введения оптимальных значений параметров, формирующих характеристику U(f). Кроме этого, электродвигатели насосов, как правило, имеют большую мощность, что вызывает необходимость компенсации реактивной мощности.
Установки конденсаторных компенсирующих устройств можно избежать, если использовать генерируемую преобразователем частоты, реактивную мощность с одновременной оптимизацией производительности насоса.
Мощность, потребляемая асинхронным двигателем насоса пропорциональна произведению подачи и напора. Учитывая, что большинство преобразователей частоты имеют, как минимум, один вход для подключения датчика технологического параметра (в данном случае датчика давления), можно, в зависимости от разбора жидкой среды, оптимизировать работу привода насоса по минимальному энергопотреблению.
Разгон, торможение, «набросы» момента нагрузки характерны для электропривода, работающего в циклических режимах, сопровождающихся переходными процессами. Такие параметры, как время разгона и торможения практически предопределяют характер динамики работы приводного устройства и, в немалой степени, уровень потерь электроэнергии.
Как известно из теории электропривода, для уменьшения времени переходного процесса и снижения потерь энергии в случае нерегулируемого асинхронного электропривода используются оптимальные значения критического скольжения при пуске (S0,41), при торможении противовключением (1,48), при реверсе (0,74).
Указанные значения существенно превышают уровень критического скольжения электродвигателей общепромышленных серий, которые пока в большинстве используются в частотно-регулируемом электроприводе.
Близкими к указанным значениям критического скольжения обладают асинхронные электродвигатели специального исполнения, например, крановые или с повышенным скольжением, которые применяются большей частью в механизмах, работающих в пуско-тормозных режимах.
Потери энергии переходного процесса нерегулируемого и регулируемого асинхронного электропривода находятся в обратной зависимости от время линейного изменения угловой скорости или время линейного задания при разгоне от нуля до установленного значения (t0).
Из опыта проведения пуско-наладочных работ и эксплуатации преобразователей частоты при удачно подобранном предельно минимальном значении t0, следует, что потери электроэнергии во время пуска могут быть снижены в 3-4 раза по сравнению с нерегулируемым асинхронным электроприводом. Кроме этого, потери электроэнергии при выбранном значении t0 будут тем меньше, чем меньше будут момент инерции и электромеханическая постоянная приводного механизма в целом.
Радикальным средством, как известно, может служить лишь использование асинхронных двигателей с высокой синхронной скоростью и большой жесткостью механической характеристики. Последнее обстоятельство связано с выбором оптимального передаточного числа редуктора, если таковой имеется в составе механизма электропривода.
Весомым инструментом для оптимизации электропотребления в приводе с преобразователем частоты является надлежащий выбор параметров, позволяющих проводить:
- процедуру идентификации параметров подключенного асинхронного двигателя;
- настройку режима компенсации скольжения и момента вращения;
- своевременное обнаружение превышения момента вращения;
- компенсацию момента вращения.
Для реализации процедуры идентификации параметров подключенного асинхронного двигателя обычно задаются номинальное скольжение асинхронного двигателя, активное сопротивление фазы статорной обмотки, индуктивное сопротивление статорной обмотки, ток холостого хода.
Настройка режима компенсации скольжения и момента вращения производится, в большинстве случаев, через задание значения коэффициента усиления функции компенсации скольжения и времени задержки компенсации скольжения, которое обуславливает скорость реакции функции компенсации скольжения при неожиданном увеличении скольжения.
В процессе работы по различным причинам возможно превышение момента нагрузки на валу асинхронного двигателя, вследствие чего резко возрастают потери, происходит увеличение температуры обмотки статора и нарушается нормальный режим работы.
В этом случае в большинстве современных преобразователей частоты предусмотрена функция обнаружения превышения момента вращения, фактически позволяющая идентифицировать перегрузку на валу и избежать следующих за этим неприятностей. В свою очередь, данная функция инициирует включение функции компенсации (до определенного предела) момента вращения с предварительно установленным вращением реакции на превышение момента вращения.
Отметим, что данные функции свойственны преобразователям частоты, имеющим режим векторного управления и особенно актуальны в случаях использования асинхронного двигателя в приводных устройствах, не имеющих запаса по мощности и имеющих большую вероятность наступления длительной перегрузки по моменту.
Из всего сказанного выше можно сделать вывод, что преобразователи частоты — мощное целенаправленное средство для организации режимов оптимального электропотребления в массовых электроприводных устройствах.
Клевцов А. В.