Енергозбереження в електроприводах насосних агрегатів (на прикладі ВАТ "Полтававодоканал")

Міністерство освіти і науки України

Полтавський національний технічний університет імені Юрія Кондратюка

Наукова робота

на тему:

"Енергозбереження в електроприводах насосних агрегатів (на прикладі ВАТ "Полтававодоканал)"

Полтава

2006

Зміст

Вступ

1. Загальні відомості

2. Потенціал енергозбереження на полтавській філії ВАТ "Полтававодоканал"

3. Огляд сучасних методів та підходів до енергозбереження 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 насосних агрегатів

Висновки

Список використаної літератури

Додаток

Вступ

Водопровідно – каналізаційні господарства України на перехідному етапі розвитку економіки опинились у кризовому стані. Це викликано цілою низкою факторів – відсутністю централізованого фінансування розвитку, реконструкції та модернізації; ростом неплатежів за послуги; зношеністю мереж і споруд; високою енергоємністю виробництва та надання послуг; зростанням цін на електроенергію, вільними цінами на реагенти та матеріали.

З огляду на постійне зростання питомої ваги витрат на енергоресурси (в першу чергу на електроенергію) в собівартості послуг водопроводу та каналізації у даний час найбільш актуальним постає питання енергозбереження.

З енергетичної точки зору система водопостачання та водовідведення міста є складним комплексом, експлуатація якого вимагає систематичного проведення технічних, економічних та організаційних заходів по підвищенню енергоефективності.

В той час, коли ціни на енергоносії були у 20-30 разів нижче сучасних, заходи по підвищенню енергоефективності не мали економічного сенсу. Але сьогодні підвищення енергоефективності вигідне водопровідно – каналізаційним господарствам.

В даній роботі буде розглянуто застосування технічних заходів щодо підвищення енергоефективності, зокрема енергозбереження в електроприводах насосів. Особливу увагу приділено впровадженню регулюємого електроприводу.

Найбільш простим, дешевим і надійним електричним двигуном є асинхронний двигун, тому його використання в регулюємому електроприводі представляє особливий інтерес.

Регулювання швидкості асинхронного двигуна зміною частоти (частотний спосіб) є одним із найбільш перспективних і широко впроваджується в даний час. Він забезпечує плавне регулювання швидкості в широкому діапазоні, а отримані характеристики володіють досить високою жорсткістю. Крім того, він відрізняється ще однією важливою перевагою – регулювання швидкості асинхронного двигуна не супроводжується підвищенням його ковзання, тому втрати потужності при регулюванні швидкості виявляються невеликими.

1. Загальні відомості

Полтавська філія водопровідно – каналізаційного господарства ВАТ "Полтававодоканал" забезпечує питною водою підприємства та населення загальною чисельністю близько 300 тисяч чоловік.

За останні роки обсяги виробництва значно знизились, добова продуктивність системи водопостачання наведена на мал. 1.1.

Мал. 1.1. Добова продуктивність системи водопостачання за останні 5 років

В системі експлуатується 4 водопровідних насосних станції та водопровідні очисні споруди проектною потужністю 120 тис. м3/ добу. Доля затрат об'єктів водовідведення у загальному споживанні підприємства надзвичайно мала, тому в даній роботі основний акцент буде робитись на водопостачання, як основний виробничий процес підприємства.

Система водопостачання забезпечується з поверхневого джерела р. Ворскла. Загальна характеристика водопровідних насосних станцій та технічна характеристика устаткування насосних станцій наведені у табл. 1.1 та додатку 1.

Таблиця 1.1 Загальна характеристика водонасосних станцій полтавської філії ВАТ "Полтававодоканал"

Значним фактором, що впливає на ефективність використання енергетичних ресурсів є режим роботи основних енергоспоживаючих об'єктів та способи регулювання технологічними процесами.

У зв'язку з технологічною особливістю виробництва полтавської філії ВАТ "Полтававодоканал" режим роботи насосних станцій не змінюється. Але маючи тенденцію до постійного зменшення обсягів виробництва насосні станції працюють менш ніж на 50% своєї проектної потужності.

ВНС 1 працює на 45% від своєї проектної потужності. В роботі постійно знаходиться один насосний агрегат (НА) 600 В – 1,6/100А (Q=5760 м3/год, Н=100 м, Р=1600 кВт).

ВНС 2 працює на 37% від своєї проектної потужності. В роботі постійно знаходиться один НА – Д6300 – 80 (Q=6300 м3/год, Н=90 м, Р=1600 кВт).

ВНС 3 працює на 56% від своєї проектної потужності. В роботі постійно знаходиться один НА – Д4000 – 90 (Q=4000 м3/год, Н=90 м, Р=1250 кВт).

ВНС 4 працює на 67,5% від своєї проектної потужності. В роботі постійно знаходиться один НА – Д3200 – 75 (Q=3200 м3/год, Н=75 м, Р=800 кВт).

Необхідна подача води здійснюється завдяки регулюванню напірною засувкою НА (дроселювання), що призводить до значних витрат електроенергії.

Про неефективність режимів роботи насосних станцій також свідчать низькі значення усередненого ККД, що наведені у додатку 2.

Приведені дані, особливо низькі значення ККД по годинах доби, свідчать про нестабільність та неефективність режимів роботи об'єктів водопостачання. Таке положення викликане невідповідністю встановленого обладнання на насосних станціях сформованим вимогам, на даний час, потреб споживачів у воді (великий спад обсягів виробництва), та також відсутністю сучасних засобів регулювання продуктивності насосних станцій.

2. Потенціал енергозбереження на полтавській філії ВАТ "Полтававодоканал"

Наведені в попередніх розділах дані свідчать про наявність потенціалу енергозбереження у полтавської філії ВАТ "Полтававодоканал". Потенціал економії електроенергії закладений у сфері основного виробництва підприємства в системі водопостачання. Очевидно, що найбільший потенціал енергозбереження мають об'єкти, що є основними споживачами електроенергії, це в першу чергу водопровідні насосні станції. Головним негативним фактором, який впливає не неефективне використання енергетичних ресурсів, безумовно, є зменшення обсягів виробництва, що викликане зменшенням абонентами обсягів споживання. В зв'язку з цим насосні агрегати на всіх чотирьох станціях працюють приблизно на 50% своєї продуктивності, регулювання подачі води при цьому здійснюється за допомогою дроселювання напірною засувкою, що призводить не тільки до занадто великих витрат електроенергії, а й достроковому зносу обладнання. Про кризовий стан у сфері енергоефективності виробництва свідчать й такі показники, приведені в попередньому розділі, як усереднений ККД насосних станцій, значення якого становить 0,2 – 0,44 та фактичні питомі витрати електроенергії. Виходом з цього положення будуть такі енергозберігаючі заходи як впровадження регулюємого електроприводу. Важливим потенційним фактором енергозбереження є удосконалення системи обліку води та енергії, це в першу чергу впровадження сучасних ультразвукових витратомірів та заміна застарілих електролічильників на більш сучасні з підвищеним класом точності. Так за рахунок зниження неврахованої 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 обліку електроенергії на базі сучасних приладів дозволило б заощаджувати орієнтовно 5% від загального споживання електроенергії.

3. Огляд сучасних методів та підходів до енергозбереження у водопровідно–каналізаційних господарствах (ВКГ)

Основний висновок по енергетичному обстеженню полтавської філії ВАТ "Полтававодоканал" – це наявність значного потенціалу економії енергоресурсів.

У даному розділі розглядаються сучасні методи та підходи до енергозбереження у водопровідно – каналізаційному господарстві, що досить добре апробовані за останні 30 років, і успішно застосовуються на практиці.

Енергозберігаючі технології у водопровідно – каналізаційних господарствах значно розвинулись за останні 30 років, успішно застосовуються на підприємствах і забезпечують ефективність енергоспоживання.

Структура основних методів (технологій) енергозбереження наведена мал. 3.

Мал. 3. Структура методів енергозбереження у ВКГ

4. Регульований електропривод

4.1 Система перетворювач частоти – асинхронний двигун

Регулювання частоти являє собою більш складну задачу, ніж регулювання випрямленої напруги, так як потребує додаткових ступенів перетворення енергії.

Найбільше число ступенів перетворення характерне для електромашинних перетворювачів частоти. Для регулювання частоти напруги, що виробляється синхронним генератором, необхідно регулювати його швидкість. Для цих цілей привод генератора необхідно здійснювати або за допомогою системи Г – Д, або по системі ТП – Д. Електромашинний перетворювач частоти два перетворювальні агрегати: асинхронний двигун, який обертає генератор постійного струму, і двигун постійного струму, який обертає синхронний генератор з потрібною швидкістю. Електропривод з таким перетворювачем частоти має п'ять ступенів перетворення енергії, збільшену десь у 5 разів масу, габарити і ціну (в порівнянні з нерегулюємим електроприводом), погіршений ККД і його використання економічно недоцільне.

Мал. 4.1.1. Схема електропривода з електромеханічним перетворювачем частоти

На мал. 4.1.1 Наведена схема вентильно – електромашинного перетворювача частоти, в якому регулювання швидкості синхронного генератора відувається по системі ТП – Д. Тут замість електромашинного агрегата, який виробляє регулюєму напругу постійного струму, використаний більш економічний тиристорний перетворювач. Але і в цьому випадку перетворювач частоти містить три ступені перетворення енергії, із них дві – електромеханічного перетворення. Схема безпосереднього регулювання швидкості по системі ТП – Д простіше і дешевше, тому використання системи ПЧ – АД може мати місце лише тоді, коли двигун постійного струму не може бути використаний для привода виконавчого механізму по технічним умовам.

При зміні частоти необхідно регулювати напругу або струм статорної обмотки асинхронного двигуна. На мал. 4.1.1 в схемі відповідно присутні два канали: канал управління частотою (Uу.ч), який діє на швидкість синхронного генератора СД, і канал управління напругою, який діє на збудження СД (Uу.н).

Канал управління частотою має структуру системи ТП – Д (мал. 4.1.1) і володіє значною інерційністю, що обумовлена механічною інерцією перетворювального агрегата системи ПД – СГ. Канал регулювання напруги також інерційний в зв'язку з наявністю електромагнітної інерції ланцюга збудження синхронного генератора. Тому як об'єкт керування схема, представлена на мал. 4.1.1 володіє несприятливими властивостями.

Найменшим числом ступенів перетворення енергії володіють вентильні перетворювачі частоти. Вони містять ступінь перетворення змінного струму в постійний і ступінь інвертування. Ці дві ступені в самостійному вигляді присутні лише в перетворювачах частоти з ланкою постійного струму. В перетворювачах частоти з безпосереднім зв'язком функції випрямлення і інвертування суміщені в реверсивному перетворювачі постійного струму, випрямлена напруга або струм якого змінюються з потрібною частотою за допомогою системи керування перетворювачем. Як наслідок, найбільш близьким до системи ТП – Д масогабаритними показниками володіє система ПЧ – АД з перетворювачем з безпосереднім зв'язком, а система з перетворювачами, які містять ступінь постійного струму, поступається по цим показникам системі ТП – Д. Але недоліки по мірі вдосконалення вентильних перетворювачів частоти постійно скорочуються, і суттєві переваги асинхронного двигуна визначають неабияку перспективність системи ПЧ – АД.

Вентильні перетворювачі частоти можуть володіти або властивостями джерела напруги, або властивостями джерела струму. В першому випадку наряду з входом керування частотою uу.ч , перетворювач має вхід керування напругою uу.н (мал. 4.1.2 а)). У випадку інвертора струму регулювання магнітного потоку машини при регулюванні частоти здійснюється 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 неперервне формування частоти напруги і струму. При неперервному формуванні синусоїдальної напруги чи струму заданої частоти його можна вважати практично безінерційним. Канал керування напругою або струмом діє на тиристорний перетворювач і його швидкодія може оцінюватись швидкодією цього керованого перетворювача.

При такому керуванні напруга в схемі на мал.. або струмом в схемі на мал. , яке забезпечує постійне потокозчеплення , або при постійності  або  в межах значень абсолютного ковзання  рівняння механічної 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, отримаємо систему рівнянь, якій відповідає наведена на мал.. система ПЧ – АД.

Параметри  і  в цій структурі повинні відповідати потрібному режиму роботи електромеханічного перетворювача:  ,  або .

Динамічні властивості системи ПЧ – АД як об'єкта керування менш сприятливі, ніж динамічні властивості регулюємих електроприводів постійного струму, в зв'язку з відсутністю незалежного каналу регулювання потоку, аналогічно обмотці збудження двигуна з незалежним збудженням. Так при живленні від джерела напруги потокозчеплення , ,  повинні залежати від напруги U1, частоти f1 та абсолютного ковзання sа.

Для підтримання потоку на заданому рівні при цих умовах необхідне регулювання його або по відключенню, або по принципу компенсації. В останньому випадку керування напругою uу.н або струмом uу.т реалізується на основі відомого взаємозв'язку між , ,  та керуючими діями U1 або І1 та факторами f1 і sа.

Взаємозв'язок U1 і  можна визначити за допомогою рівнянь електричної рівноваги, записаних у векторній формі для статичного режима в осях х, у і представити у вигляді:

 (4.1.3)

Дана залежність дозволяє для поточних значень частоти в абсолютного ковзання визначити значення напруги U1, які в статичному режимі роботи відповідають умові . Вона використовується для формування структури функціонального перетворювача, який керує напругою перетворювача частоти в процесі роботи електропривода.

В динамічних режимах зміна момента двигуна відповідає зміні кута між вектором напруги  або струму статора  і вектором намагнічуючого струму машини . При незмінній фазі вектора  (або  при живленні від джерела струму) зміна вказаного кута реалізується за рахунок переміщень ротора, і внаслідок механічної інерції виникають невідповідності, які порушують вираз . Зміна основного потоку машини викликає появу електромагнітної інерції, і динамічні властивості електропривода як об'єкта керування суттєво погіршуються.

Страницы: 1, 2