Для визначення необхідних для такого керування кількісних зв'язків запишемо 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 рівнянь потокозчеплення отримаємо:

 (4.1.6)

Підставляючи ці співвідношення і значення  у рівняння 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 є намагнічуючим струмом і при , . Складова  являє собою активний струм, якому при  пропорційний момент двигуна. За допомогою векторної діаграми визначимо шукані співвідношення, які дозволяють забезпечити  в динамічних процесах:

 (4.1.9)

Тобто при частотно – струмовому керуванні електроприводом система керування перетворювачем повинна забезпечувати можливість формування першої гармоніки струму статора для підтримання :

 (4.1.10)

Тому показаний на мал. 4.1.2 б) інвертор струму ПЧ оснащений крім входів 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  електромагнітна постійна Тэ в структурі на мал. 4.1.3 дорівнює нулю. Але практично в зв'язку з неточностями компенсації можливі прояви електромагнітної інерції треба враховувати малу некомпенсовану постійну Тэ.

На увагу заслуговують також такі закони керування, які забезпечують зниження втрат енергії, що виділяється в двигуні. Зокрема керування близьке до оптимального по критерію мінімума втрат, здійснюється при підтримуванні абсолютного ковзання, яке рівне критичному при всіх навантаженнях . Цій умові при кожному моменті відповідає найменше значення струму статора.

При використанні такого керування слід враховувати, що при зменшенні навантаження від Мном до 0 зниження втрат досягається за рахунок струму намагнічування, тобто потоку машини. А це означає, що при керуванні при  основний потік змінюється в широких межах, що призводить до сильного впливу електромагнвтної інерції, який суттєво знижує швидкодію при регулюванні координат.

ККД системи ПЧ – АД з вентильним перетворювачем дещо нище, якщо є ланка постійного струму, так як при цьому перетворення напруги і струму відбувається двічі.

Коефіцієнт потужності в цій системі близький до значення коефіцієнта потужності в системі ТП – Д, якщо в якості ланки постійного струму використати тиристорний перетворювач.

4.2 Особливості енергетики вентильних електроприводів

Для регулюємих електроприводів найбільш загальним і ефективним шляхом вирішення проблеми енергозбереження на даному етапі є використання вентильних перетворювачів. При використанні сучасних напівпровідникових пристроїв – тиристорів, транзисторів в різноманітних виконаннях, ККД перетворювачів достатньо великий. Так для тиристорного перетворювача з m – фазною схемою випрямлення, в якій на інтервалі провідності обтікаються струмом n послідовно увімкнених вентилів його можна оцінити за допомогою співвідношення:

 (4.2.1)

де - ККД силового трансформатора, який забезпечує потенціальну розв'язку силових ланцюгів електропривода та обмеження струмів короткого замикання при пробоях тиристорів. - падіння напруги на вентилі;  - номінальна вихідна напруга перетворювача.

Якщо з достатнім запасом прийняти , то для мостової схеми перетворювача (n=2) при U1=380 В і Uт.п.ном=440 В ККД керованого випрямляча складе:

Те ж значення отримаємо і для перетворювача з нульовою схемою випрямлення (n=1), Але при тій же напрузі живлення номінальна напруга перетворювача в 2 рази менша. Для трансформаторів 10 – 1000 кВт значення ККД лежать в межах 0,95 – 0,98, тобто:

Доцільно співставити з електромашинним перетворювальним агрегатом для системи генератор – двигун – його ККД при потужності 1000 кВТ складе:

Таким чином, в цьому випадку заміна системи генератор – двигун системою тиристорний перетворювач – двигун дозволяє економити близько 7% споживаної енергії і знизити втрати в перетворювальному агрегаті приблизно в 3 рази. Це суттєве підвищення енергетичної ефективності електропривода.

Але оцінку енергетичної ефективності вентильних електроприводів на основі обліку втрат в перетворювальному агрегаті необхідно доповнити оцінкою негативних властивостей вентильних електроприводів, пов'язаних з дискретним принципом перетворення і регулювання напруги перетворювачів. Ці особливості реалізуються в двох головних напрямках – всередині електропривода в результаті впливу форми струмів і напруг, які формує перетворювач, на роботу двигуна і в системі електропостачання в результаті впливу споживаних перетворювачем струмів на роботу живильної мережі.

Основу сучасної перетворювальної техніки складають тиристори з природною комутацією. При природній комутації реалізується максимальна простота схемотехніки, відсутність перенапруг, мінімальна маса, габарити і вартість перетворювачів.

Напруга і струм, які формує перетворювач з природньою комутацією для фази асинхронного двигуна в системі перетворювач частоти – асинхронний двигун визначається пульсністю перетворювача m, кутом регулювання α, ЕРС обертання в навантаженні е і індуктивністю силового ланцюга двигуна L. Напруга навіть при формуванні постійного струму періодичну несинусоїдальну залежність з періодом . Як наслідок струм, який протікає в навантаженні, містить пульсації відносного заданого значення, яке збільшується при збільшенні кута регулювання α. Якщо індуктивність силового ланцюга невелика, пульсації струму значні і при зменшенні його середнього значення струм стає уривчастим. Так в системі НПЧ – АД при m=3 зона уривчастого струму відповідає зміні навантаження двигуна і відповідно, струму статора в межах від холостого ходу до (0,6 – 0,8)І1ном , при m=6 вона знижується і практично проявляється лише на холостому ході.

Корисну роботу електропривода визначає середній момент, тобто перша гармоніка струму двигуна змінного струму. Пульсації струму при потрібному моменті створюють додаткові втрати в опорах якірного ланцюга, викликають додатковий нагрів двигуна, тому повинні обмежуватись на допустимому рівні. Режим уривчастого струму і моменту двигуна для швидкодіючих приводів з преціозним регулюванням швидкості може викликати недопустиму нерівномірність руху двигуна механізма. В цьому та іншому випадку знизити пульсації струму та обмежити уривчастого струму можна шляхом введення згладжую чого реактора або вибором тиристорного перетворювача більшої пульсності. Згладжуючий реактор – простіше і дешевше рішення, але додаються втрати в його обмотці, перетворювач з великим m гарний, але досить дорогий. Якщо маємо справу з проектуванням системи НПЧ – АД, необхідно враховувати, що введення згладжуючого дроселя в кожну фазу двигуна в номінальному режимі може потребувати збільшення номінальної напруги перетворювача та інші аналогічні ефекти.

Для електроприводів середньої і великої потужності головні енергетичні проблеми лежать в сфері взаємодії електропривода з живлячою мережею і в багатьох випадках на вибір системи електропривода виявляють вирішальний вплив її показники якості енергоспоживання. Дискретний фазо – імпульсний принцип управління тиристорними перетворювачами, несинусоїдальність напруги і струму навантаження викликають зсув споживаного із мережі струму і спотворення його форми. Якщо якимось шляхом визначити (наприклад, виміряти) споживану із мережі активну потужність Р, діюче значення споживаного із мережі струму І1 і напруги мережі U1, можна проаналізувати складові енергоспоживання вентильного електропривода.

Повна потужність (максимальна активна потужність, яку споживав би електропривод при даних І1 та U1, якщо б не було зсуву і спотворень):

 (4.2.2)

Активна потужність являє собою середнє значення миттєвої потужності за цикл:

 (4.2.3)

де u1 і i1 – миттєві значення напруги і струму.

Повна реактивна потужність обумовлена наявністю зсуву у вищих гармоніках струму:

 (4.2.4)

Реактивна потужність зсуву:

 (4.2.5)

де Т – реактивна потужність спотворення, обумовлена взаємодією джерела ЕРС мережі з вищими гармоніками струму.

На жаль, по відомим значеннях Р, І1 та U1 визначити окремо складові повної реактивної потужності не вдається. Для перетворювача постійного струму (в тому числі і в схемі перетворення частоти з ланкою постійного струму) можна оцінити кут зсуву першої гармоніки струму відносно напруги:

 (4.2.6)

де α – кут регулювання, γ – кут комутації вентилів.

Якщо прийняти напругу синусоїдальною, реактивна потужність зсуву визначається лише першою гармонікою струму. При цьому:

 (4.2.7)

Звідси:

 (4.2.8)

При необхідності по відомій активній потужності можна визначити активну складову основної гармоніки струму:

, (4.2.9)

а далі ефективне значення основної гармоніки струму:

 (4.2.10)

При несиметричному навантаженні фаз виникає додаткова складова реактивної потужності – потужність несиметрії, яку вважаючи перетворювач симетричним, не враховуємо.

Розглянуті складові дозволяють дати визначення відповідних коефіцієнтів, які характеризують якість енергоспоживання. Коефіцієнт потужності:

 (4.2.11)

Коефіцієнт зсуву характеризує співвідношення між активною потужністю і реактивною потужністю зсуву:

 (4.2.12)

Коефіцієнт спотворень:

 (4.2.13)

Для розглядаємих симетричних перетворювачів його можна визначити відношенням основної гармоніки струму мережі до його діючого значення:

Кс=І1(1)/І1 (4.2.14)

Коефіцієнт потужності характеризує ефективність енергоспоживання електропривода – ступінь використання повної потужності, яка завантажує мережу, і може бути виражений через складові енергетичні коефіцієнти:

Км=Кз·Кс (4.2.15)

а при наявності несиметрії енергоспоживання по фазах:

Км= Кз·Кс·Кн (4.2.16)

де Кн= - коефіцієнт несиметрії.

Таким чином, вентильні перетворювачі негативно впливають на роботу живильної мережі. При низьких значеннях коефіцієнта потужності електропривод завантажує мережу реактивним струмом основної гармоніки, яка несе активну потужність електроприводу і наповнює мережу циркуляцією струмів вищих гармонік. Ці реактивні струми, протікаючи по опорах живильної мережі викликають додаткові втрати активної потужності, а вищі гармоніки струму при збільшенні числа і потужності вентильних електроприводів здатні викликати недопустимі спотворення напруги мережі, які порушують нормальну роботу інших споживачів. При переході до масового використання в промисловості вентильних електроприводів в сфері електропостачання виникли і інші проблеми, обумовлені вищими гармоніками струму резонансні явища в батареях конденсаторів, які раніше успішно використовувались для компенсації реактивної потужності. В результаті резонанса збільшується вихід із ладу конденсаторів. Це вимагало переходу до використання фільтро – компенсуючи пристроїв, кожний ланцюг яких містить послідовно з'єднані батареї конденсаторів і індуктивності з на лаштуванням даного ланцюга фільтра на певну найбільш суттєву вищу гармоніку струму.

Припустимо, здійснюється вибір системи для потужного електропривода постійного струму із двох варіантів – використовуємо, але застарівши система Г – Д і сучасна система ТП – Д.

З давніх пір до теперішнього часу для збудження генераторів використовують силові реверсивні магнітні підсилювачі – пристрої прості, надійні, але недосконалі. Низький ККД (близько 35%), великі габарити, невисокий коефіцієнт підсилення і ряд інших недоліків не дозволяють реалізувати потрібну швидкодію привода, реальний коефіцієнт форсування процесів збудження генератора αф max ≤ 2. В останні роки вони знімаються з виробництва, тому в замінюваній системі в якості збуджувача генератора вже використовують реверсивний тиристорний перетворювач і обмотку збудження синхронного двигуна, яка раніше підключалась до некерованого джерела, забезпечили для цілей автоматичного регулювання нереверсивним тиристорним збуджувачем. Вибір коефіцієнта форсування і αф≤10 і використання мікроелектроніки в системі управління забезпечує швидкодію і точність системи Г – Д на рівні, що не поступається системі ТП – Д. При цьому система ТП – Д приваблює високим ККД , кращими малогабаритними показниками, кращою технологічністю і меншими потребами в дефіцитній міді і електротехнічній сталі.

Якщо вибір зупинений 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 комутацією зниження споживання реактивної потужності зсуву можна забезпечити шляхом почергового управління мостами. Використавши аналогічний перетворювач з штучною комутацією вентилів, можна практично повністю виключити реактивну потужність зсуву і обмежитись установкою нерегульованого фільтра найбільш суттєвих гармонік струму.

5. Застосування регульованого електроприводу насосних агрегатів

При застосуванні енергозберігаючого обладнання припускає заміну насосних агрегатів на сучасне устаткування з більш високим ККД. Прикладом можуть служити насоси GRUNDFOSS (Німеччина) чи FLYGT (Швеція). Цей метод на сьогодні застосовується рідко через великі капіталовкладення і, в основному, при новому будівництві.

Найбільш перспективним на сьогоднішній день є застосування регулюємого електроприводу. З огляду на нерівномірний характер водоспоживання, для насосних станцій виникла вкрай гостра потреба плавного регулювання їхньої продуктивності (напір і подача).

Традиційно продуктивність насосних станцій у системах водопостачання та водовідведення регулювалася ступінчасто або дроселюванням напірними засувками. Але такі способи регулювання є неекономічними. Крім того, збільшується знос устаткування через часті пуски і зупинки агрегатів; частіше виходять з ладу напірні засувки, внаслідок того, що засувка є запірною арматурою і не призначена для регулювання. Плавне регулювання продуктивності насосних агрегатів може бути забезпечено кількома способами:

Ø    застосуванням двигунів постійного струму, число обертів яких змінюють шляхом регулювання напруги живлення;

Ø    застосуванням різноманітних муфт ковзання (індукційних, гідравлічних, електромагнітних);

Ø    зміною частоти напруги двигуна агрегату (регулюємий електропривод);

Найбільше поширення в даний час має спосіб, при якому в спеціальному тиристорному перетворювачі напруга частотою 50 Гц може бути перетворена у напругу заданої частоти. Як відомо, швидкість обертання електродвигуна прямо пропорційна частоті наруги живлення. Змінюючи число обертів, можливо домогтися зміни подачі Q, напору Н, потужності N у наступній залежності:

; ;  (5.1)

де n1 і n0 – число обертів електродвигуна при зміненій (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;

Розглянемо детальніше методи регулювання подачі і напору.

Регулювання шляхом дроселювання зводиться до зменшення потовк води в трубопроводі, що зумовлює додаткові витрати електроенергії, так як насос постійно повинен переборювати противотиск, 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. 2 бачимо, що потужність знаходиться в прямій залежності від подачі та напору

На малюнку 5.1 показано зміну характеристик мережі при регулюванні подачі і напору насоса за допомогою дроселювання напірною засувкою, характеристика насоса при цьому залишається незмінною. Точка А є робочою точкою при максимальній подачі, при цьому потрібна потужність дорівнює: 1·1=1. Точка В є робочою точкою при 70% подачі: Q=0,7; Н=1,25. Потрібна потужність дорівнює: 0,7·1,25=0,875.

На малюнку 5.2 показана зміна характеристик при регулюванні продуктивності насоса шляхом керування швидкістю обертання внаслідок встановлення регулюємого електроприводу. При цьому характеристика насосу зсувається паралельно паспортній 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 сьогодні вітчизняні виробники випускають наступні типи регулюємого електроприводу:

Для синхронних двигунів з напругою живлення 6 кВ:

Ø    тип ПЧСВ, ПЧСН (АТЗТ НПЕК "Елетекс", м. Харків);

Ø    СТ 10 (корпорація "Тріол", м. Харків);

Застосування регулюємого електроприводу призводить крім економії електроенергії до додаткових позитивних факторів:

Ø    зменшення аварійності на водомережі за рахунок виключення поштовхів та гідро ударів при регулюванні і плавному пуску чи зупинці агрегатів;

Ø    збільшення моторесурсу насосних агрегатів і запірної арматури:

Найбільший ефект від застосування регулюємого електроприводу досягається при побудові на його базі систем автоматичного регулювання напору у водомережі. При цьому напір може автоматично підтримуватись за заданим значенням напору в контрольній точці мережі або на виході насосної станції.

Мал. 5.1. Характеристики Q – H насосу та мережі при дроселюванні напірною засувкою

Мал. 5.2. Характеристики Q – H при змінюванні числа обертів насосу за допомогою регулюємого електроприводу

Нами запропоновані наступні заходи:

1.                 ВНС – 1. Пропонується встановлення одного регулюємого електроприводу типу ПЧСВ на НА 600 В – 1,6/100 А.

Початкові дані:

Потрібний напір - Нп=54 м;

Потрібна продуктивність - Qп=2630 м3/год;

Номінальний напір - Нн=100 м;

Номінальна продуктивність - Qн=5760 м3/год;

Номінальне число обертів - nн=750 об/хв;

Потужність насосного агрегату: Nн=1600 кВт;

Висота підйому води при нульовій продуктивності - Нф=125 м;

Відносна мінімальна подача води - ;

Відносний фіктивний напір - ;

 (по розрахунковим кривим [4]).

Потрібне число обертів знаходимо з формули:

 (5.3)

 об/хв.

Економію електроенергії знаходимо по формулі:

 (5.4)

де Nн – номінальна потужність насосного агрегату, кВт;

Т – час роботи насосного агрегату за рік (Т=8760 год);

 - параметр, що характеризує відносні втрати електроенергії, викликані перевищенням напору.

Що складає 29% від загального споживання електроенергії ВНС –1 за рік.

2.                 ВНС – 2. Пропонується встановлення одного регулюємого електроприводу типу ПЧСВ на НА Д6300 – 80.

Початкові дані:

Потрібний напір - Нп=65 м;

Потрібна продуктивність - Qп=2320 м3/год;

Номінальний напір - Нн=90 м;

Номінальна продуктивність - Qн=6300 м3/год;

Номінальне число обертів - nн=750 об/хв;

Потужність насосного агрегату: Nн=1600 кВт;

Висота підйому води при нульовій продуктивності - Нф=112,5 м;

Відносна мінімальна подача води - ;

Відносний фіктивний напір - ;

 (по розрахунковим кривим [4]).

Потрібне число обертів знаходимо з формули (5.3):

 об/хв.

Економію електроенергії знаходимо по формулі (5.4):

Що складає 19% від загального споживання ВНС – 2.

На малюнку 5.3 наведено споживання електроенергії насосними станціями до та після впровадження запропонованих заходів.

Мал. 5. 3. Споживання електричної енергії до та після впроваджених заходів

Висновки

Метою роботи було дослідження потенційного енергозбереження внаслідок впровадження регулюємого електроприводу на насосні агрегати у водонасосних станціях полтавської філії ВАТ "Полтававодоканал". Внаслідок проведених розрахунків можна стверджувати, що встановлення електроприводу типу ПЧСВ на насосний агрегат водонасосної станції 1 дозволяє знизити споживання електричної енергії з 10282,5 до 7339,5 тис. кВт·год / рік, що становить 29% від загального енергоспоживання станції. Впровадження аналогічних заходів на решті водонасосних станцій дає такі результати:

Ø    на водонасосній станції 2 енергоспоживання можливо знизити з 12822,6 до 10439,9, що становить 19%;

Ø    на водонасосній станції 2 енергоспоживання можливо знизити з 10935,3 до 8745,3, що становить 20%;

Ø    на водонасосній станції 2 енергоспоживання можливо знизити з 7627,4 до 6575, що становить 14%;

Таким чином, загальна економія електроенергії по підприємству внаслідок запропонованих заходів складе 20,56%.

Список використаної 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.                 Леонов Б.С. Энергосбережение и регулируемый електропривод в насосних установках. – М.: ИК "Ягорба" – "Биоинформсервис", 1998. – 180 с.

5.                 Минаев А. В., Карелин В. Я. Насосы и насосные станции. – М. – Стройиздат., 1998 г.

6.                 Москаленко В. В. Электрический привод. – М.- Высшая школа, 1991 г.

7.                 Номенклатурний каталог ХЕМЗ, Харків, 2004 р.

8.                 Попович М. Г., Ковальчук О.В. Теорія автоматичного керування. – К.: Либідь, 1997. – 544 с.

9.                 Прайс – лист Сумського заводу "Насосенергомаш", 2004 р.

10.             Информационно – аналитический журнал "Энергосбережение", 2002.

Додаток 1

Технічні характеристики устаткування водонасосних станцій

Додаток 2

Режим роботи водонасосних станцій за характерну добу (10. 06. 2006)

Страницы: 1, 2