Экономия электроэнергии с помощью частотного преобразователя

В промышленности более половины всей потребляемой электроэнергии расходуется на электроприводы, в частности — на питание асинхронных электродвигателей. Посмотрите сами: системы вентиляции, компрессоры различного назначения, разнообразные насосы, установки с переменными нагрузками, — все это оборудование потребляет для своего питания значительную долю энергии, поставляемой на предприятие.

Не удивительно, что кто-то рано или поздно задумается о возможности экономии электроэнергии на таких установках. И выход действительно есть — существенной экономии позволит достичь преобразователь частоты, призванный регулировать скорость вращения двигателя в зависимости от текущего режима работы (нагрузки) оборудования. Весьма значимым станет повышение КПД двигателя при таком регулировании, особенно когда речь зайдет о нагрузках много ниже номинальных.

Рассмотрим более подробно объективные факторы, влияющие здесь на экономию. Гидравлические удары, могущие возникнуть в трубах при включениях и выключениях насосов без регулирования, сразу исключаются, то есть риск возникновения аварий сводится к минимуму.

Запорная арматура практически не будет изнашиваться, поскольку регулировка напора в системе водоснабжения теперь станет осуществляться не арматурой, а скоростью вращения двигателя, и задвижки останутся всегда открытыми. Поскольку сами насосы будут работать на пониженном давлении, то и прорывы труб и утечки будут теперь маловероятны.

Объем ремонтных работ на оборудовании соответственно уменьшится, благодаря тому, что как двигатели, так и трубопроводы, станут испытывать меньший износ, подшипники реже придется менять из-за износа, как и крыльчатки, и все это благодаря плавному регулированию оборотов моторов и снижению пусковых токов.

В итоге более 60% экономии ресурсов даст перевод регулирования с дросселирования, включения-выключения, — на управление посредством изменения оборотов двигателя благодаря установке частотного преобразователя.

Такие механизмы как конвейеры, вентиляторы, насосы и компрессоры, нуждаются в относительно узком диапазоне регулирования скорости, им также не нужны высокая точность и быстродействие в процессе настройки.

Здесь подойдет асинхронный двигатель с системой скалярного управления, то есть частотный преобразователь будет связанно регулировать уровень напряжения и его частоту.

Если же речь о роботе, транспорте или о приводе быстродействующего станка, то в таком случае потребуется более сложное управление, здесь пригодится частотный преобразователь с векторным управлением, способный установить высокий момент на малых оборотах, дать большое ускорение, подхватить двигатель если питание кратковременно пропало, предотвратить попадание на частоты механического резонанса.

Векторное управление более всего подходит для таких систем, в которых крайне важно качество регулировки и высокая точность установки момента вращения ротора двигателя.

Для кранов, лифтов, буровых установок, экструдеров, прессов, мельниц и т. д. — высокоэффективное управление электрическим приводом посредством частотного преобразователя станет залогом энергосбережения на предприятии и гарантией надежности объекта.

Незаменимы частотные преобразователи и в системах ЖКХ, где трубопроводы водоснабжения и отопления желательно уберечь от гидроударов, защитить арматуру от преждевременного износа и аварий. И поскольку давление может поддерживаться теперь не заслонкой, а регулировкой скорости вращения привода насоса, то и экономия электроэнергии достигнет почти 50%, не говоря уже о значительном продлении срока службы запорно-регулирующей арматуры.

Статьи про частотные преобразователи и их использование:

Источник

Расчет окупаемости частотного преобразователя

Постоянно растущие тарифы на электрическую энергию и ужесточающееся законодательство в сфере энергосбережения вынуждают руководителей предприятий искать пути снижения энергопотребления. В промышленности значительная часть потребления электрической энергии приходиться на вентиляторные, насосные, и компрессорные установки, конвейеры, подъемные механизмы, электроприводы технологических установок и станков. Данные механизмы чаще всего приводятся в действие асинхронными двигателями переменного тока. Крупнейшие мировые производители электротехнического оборудования предлагают специализированные устройства для управления асинхронными двигателями, которые, по заверениям их производителей, помимо всего прочего обеспечивают экономию электрической энергии до 50% (для насосных установок) или даже до 70% (для вентиляторных установок)! Называются данные устройства преобразователями частоты, частотными преобразователями, инверторами или просто ПЧ.

Вне всякого сомнения, частотные преобразователи являются крайне полезными устройствами, но не всегда их применение может быть экономически оправдано из-за сравнительно больших затрат на их приобретение. Кроме того, не всегда имеющийся электропривод можно просто и быстро (как уверяет реклама) дооснастить частотным преобразователем. Попробуем разобраться, с какими сложностями можно столкнуться при попытке оснастить преобразователем частоты имеющийся привод с асинхронным электродвигателем переменного тока, а также оценить перспективы окупаемости вложений. Но сначала несколько слов о существующих методах пуска асинхронных двигателей, чтобы понять в чем, собственно, преимущества частотно-регулируемого привода.

Методы пуска асинхронных двигателей переменного тока

Можно выделить четыре метода пуска асинхронных двигателей переменного тока:

• прямое включение;
• включение с переключением со звезды на треугольник;
• включение с устройством плавного пуска;
• включение с частотным преобразователем.

Прямое включение обычно применяется для электродвигателей мощностью не более 10 кВт. Это наиболее простой способ, но и наименее эффективный в плане управления ускорением, моментом на валу двигателя и защиты двигателя от перегрузок в целом. Кроме того, пусковые токи при прямом включении двигателя в 5-7 раз превышают номинальные значения. Работа двигателя с частотным преобразователем наиболее эффективна, как в плане защиты двигателя, управления ускорением и моментом, так и в плане экономии электрической энергии. Более детальное сравнение этих двух основных методов приводиться в таблице:

Безусловно, с технической точки зрения частотно-регулируемый привод предпочтительнее прямого включения электродвигателя. Но насколько экономически целесообразно его применение и какими будут сроки окупаемости ЧРП в каждом конкретном случае?

Экономическое обоснование эффективности внедрения преобразователей частоты

В большинстве случаев период окупаемости ПЧ определяется как отношение затрат, связанных с приобретением частотного преобразователя к сумме экономии электроэнергии после его установки. Обычно величину экономии принимают равной 20-40% от паспортной мощности двигателя привода, а к затратам относят только стоимость собственно самого частотного преобразователя из расчета, что каждый 1 кВт мощности ПЧ обойдется примерно в 100 долларов. Именно по такому алгоритму работает большинство on-line калькуляторов на сайтах поставщиков данного оборудования.

В некоторых случаях к факторам снижающим затраты и повышающим эффективность внедрения ПЧ относят также:

1. снижение затрат на текущее обслуживание привода;
2. увеличение ресурса электродвигателя.

Экономия денежных средств за счет применения частотного преобразователя чаще всего рассчитывается по формуле:

где Э — экономия денежных средств, руб; Рпч — мощность преобразователя частоты, кВт; Ч — среднее количество часов работы привода в день, ч; Д — число дней в отчетном периоде (обычно принимают равным 30 или 365 чтобы вычислить экономию за месяц или за год соответственно); К — коэфффициент, показывающий ожидаемый процент уменьшения потребляемой двигателем мощности, %; Т — тариф на электроэнергию, руб/кВт*ч.

Период окупаемости частотного преобразователя вычисляется как отношение затрат на приобретение ПЧ к полученной экономии денежных средств. Расчетный период окупаемости затрат на дооснащение привода частотным преобразователем при этом составляет от 3 месяцев до 2,5 лет в зависимости от мощности привода. Не будем сейчас говорить о том, насколько подобные расчеты точны. Лучше выделим ключевые моменты, по которым можно судить о целесообразности внедрения частотного привода как инструмента для экономии энергоресурсов.

Установка частотного преобразователя с целью экономии энергоресурсов будет наиболее эффективна в случаях:

1. электродвигатель имеет большую потребляемую мощность (на электродвигателе мощностью 1 кВт много не сэкономишь);
2. электродвигатель работает практически непрерывно — 24 часа в день, 365 дней в году (на электродвигателе, даже большой мощности, который работает 1 час в день много не сэкономишь);
3. механизм (электродвигатель+рабочее колесо насоса или вентилятора) работают не эффективно и его производительность избыточна, так как создаваемый поток воздуха или жидкости «зажимается» с помощью заслонок или задвижек на выходе установки (если заслонки и задвижки открыты на полную, то установка избыточной работы скорее всего не выполняет и уменьшать ее производительность нельзя);
4. тарифы на электроэнергию высоки (при дешевой электроэнергии экономить ее не так выгодно);
5. требования к уровню искажений (уровню гармоник), вносимым с сеть электроснабжения, отсутствуют или незначительны (в противном случае потребуются специальные технические мероприятия по уменьшению уровня вносимых искажений и их компенсации).

Если с первыми четырьмя пунктами списка все более или менее ясно, то последний пункт требует некоторых дополнительных уточнений.

Что за искажения создает ПЧ, из-за чего они возникают и можно ли уменьшить их уровень? Гармонические искажения создаются самим преобразователем частоты ввиду особенностей его конструкции и принципа действия. Выпрямитель преобразователя частоты создает пульсирующее напряжение постоянного тока. При каждом пике этого напряжения происходит заряд конденсатора в промежуточной цепи постоянного тока. Во время заряда этого конденсатора возникают входные токи со сравнительно большой амплитудой. Ввиду такой несинусоидальной нагрузки происходит искажение синусоиды напряжения питания, причем степень искажения зависит как от величины токовой нагрузки, так и от импеданса сети. Возникающие при этом помехи сети питания представляют собой высокачастотные составляющие — гармоники (обычно 3,5,7 и 9 гармоники) основной частоты питающего напряжения (50 Гц). Общее содержание гармоник называется суммарным коэффициентом гармоник (THDi).

Отклонение формы выходного напряжения и тока ПЧ от чисто синусоидальной (появление гармоник) и является основным фактором удорожания и усложнения конструкции частотно-регулируемого привода. Ведь данные гармонические составляющие оказывают негативное влияние, как на электрический двигатель, так и на всю сеть электроснабжения в целом и с ними приходиться бороться. Уменьшение значения уровня THDi обеспечивается различными усовершенствованиями конструкции ПЧ (усложнением) и применением дополнительных внешних фильтрующих и компенсирующих элементов.

Как видно из представленной диаграммы (данные компании Schneider Electric) снижение уровня THDi до уровня 5-10% приводит к увеличению стоимости (а значит и периода окупаемости) частотно-регулируемого привода в 2-2,5 раза. Применение бесконденсаторной технологии построения ПЧ конечно позволяет несколько снизить стоимость привода с одновременным снижением уровня THDi, но ПЧ выполненные по данной технологии нельзя применять в ответственных случаях (рекомендуется применять только для управления двигателями насосов и вентиляторов малой мощности).

Для примера несколько калькуляторов расчета окупаемости частотного преобразователя: VLT Energy Box Software от Danfoss и «Калькулятор энергосбережения ПЧВ» от Овен.

Особенности работы электрического двигателя с преобразователем частоты

Распространенное мнение, что подключение двигателя к частотному преобразователю и его последующая работа на пониженных оборотах существенно облегчает режим работы этого двигателя ошибочно. Гармоники есть также в выходном напряжении инвертера, и они негативно влияют на привод. Гармоники вызывают шумы и дополнительные потери в двигателе, уменьшают общий КПД частотно-регулируемого привода. Когда двигатель подключен к ПЧ и работает на пониженных оборотах, его температура может существенно вырасти, что может привести к выходу двигателя из строя. На рост температуры двигателя при работе от ПЧ влияют два основных фактора:

1. при уменьшении скорости вращения вала двигателя уменьшается скорость вращения встроенной в двигатель крыльчатки охлаждения, из-за этого уменьшается объем охлаждающего воздуха, и температура двигателя начинает расти;
2. при несинусоидальности питающего тока и большой мощности гармоник выделяется больше тепла в обмотках двигателя (из-за индуктивного сопротивления) и пластинах статора (из-за вихревых токов).

На малых скоростях встроенный вентилятор электродвигателя не способен подавать достаточно воздуха для охлаждения. Эта проблема возникает, если нагрузочный момент постоянен во всем диапазоне регулирования. Недостаточный уровень охлаждения определяет уровень крутящего момента, допустимый при нагрузках в продолжительном режиме работы. Если двигатель работает непрерывно при номинальном моменте на скорости, которая меньше половины номинальной скорости, двигателю требуется дополнительное принудительное охлаждение. Другой вариант решения данной проблемы — уменьшение коэффициента нагрузки электродвигателя путем выбора более мощного электродвигателя. Но оба эти варианта требуют дополнительных расходов, а значит, увеличивают период окупаемости ЧРП.

Если ток электродвигателя имеет несинусоидальную форму, то электродвигатель нельзя подвергать полной нагрузке, поскольку в нем будут протекать токи гармонических составляющих, которые повышают его температуру. Количество выделяемой теплоты определяется амплитудами токов гармонических составляющих. Из-за несинусоидальности питающего тока при работе двигателя от ПЧ могут возникать механические, а, при определенных условиях, и электрические резонансы. Механический резонанс обычно возникает из-за воздействия низкочастотных токовых гармоник, и в результате при определенных скоростях может возникнуть маятниковый момент. Электрический резонанс появляется потому, что конденсаторы, сопротивления обмоток двигателя и индуктивности в электрической системе, образуют резонирующий контур способный к самогенерации. Колебания тока в результате этого резонанса приводят к колебаниям скорости двигателя.

Этот феномен особенно характерен в случаях когда:

• момент инерции привода, приведенный к валу двигателя мал (малое механическое демпфирование);
• двигатель на холостом ходе или нагрузка двигателя мала (нет скольжения — меньшее активное сопротивление двигателя — малый электрический демпфер);
• двигатель имеет хороший КПД (малые активные сопротивления статора и ротора — малый электрический демпфер).

Поскольку двигатели с большей мощностью имеют меньшее активное сопротивление и лучший КПД, чем маленькие двигатели, они более предрасположены к вибрациям. Асинхронные двигатели менее предрасположены к вибрациям, чем двигатели другого типа.

К конструкции двигателя, работающего с преобразователем частоты, предъявляется ряд требований. Так стандарт МЭК 34-17 «Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, питаемые от преобразователей частоты» предполагает наличие дополнительных проверок, призванных исключить негативное воздействие на двигатель, питание которого осуществляется от частотного преобразователя. Двигатели для работы с частотными преобразователями должны иметь изолированный подшипник (для исключения возможных токов утечек и биений из-за несинусоидальности тока) и усиленную электрическую изоляцию обмоток для защиты от перенапряжений, вызванных ШИМ-модуляцией.

Довольно часто применением специализированных электродвигателей для ЧРП пренебрегают. Это происходит, в том числе, и из-за неверного информирования заказчика относительно требований к применяемому совместно с ПЧ электродвигателю. Электродвигатели для ЧРП это, как правило, импортные двигатели (отечественные двигатели для работы с ПЧ выпускается ограниченным количеством производителей) — более технологичные и имеющие лучшую внутреннюю межвитковую изоляцию по сравнению с электродвигателями обычного исполнения. При этом стоимость таких двигателей минимум на 5-10% выше стоимости обычного двигателя иностранного производства.

Поэтому не всегда от внедрения ПЧ стоит ожидать увеличения срока службы двигателя и снижения затрат на его обслуживание — в некоторых случаях может наблюдаться обратный эффект, зачастую связанный и с не оптимальной настройкой частотного преобразователя.

Источник