Электропривод
Экономия электроэнергии с помощью частотного преобразователя
Эффективность работы предприятий водоснабжения, отопления, городов и сельских районов может быть существенно повышена за счет автоматизации и внедрения частотно регулируемых электроприводов (ЧРП).
Экономия электроэнергии будет рассмотрена на примере насосного агрегата с ЧП.
При правильном выборе насосного агрегата его расходная характеристика и мощность электродвигателя рассчитаны на обеспечение необходимого давления в системе при максимальном потреблении воды, которое, как известно, приходится на утренние и вечерние часы. Отсюда мы имеем на оставшуюся часть времени избыточное давление в системе.
Регулировать расход можно при полной скорости двигателя, изменяя гидравлическое сопротивление тракта с помощью клапанов или заслонок, однако, дополнительное оборудование, необходимое в этом случае, часто оказывается ненадежным, трудно регулируемым и потребляющим много энергии.
Поэтому наиболее рациональным способом регулирования является снижение частоты вращения приводного двигателя насоса при сохранении неизменной характеристики нагрузки. Динамическое изменение оборотов двигателя становится возможным при использовании датчика давления (датчика обратной связи) и частотного преобразователя (ЧП).
На представленном графике изображены кривые зависимости расхода и энергопотребления. Но для лучшей наглядности можно рассмотреть график тока электродвигателя, на котором представлены кривые тока при использовании ЧРП и при регулировании заслонками. Они соответствуют кривым расхода воды потребителями в различные периоды времени.
Понимая, что в разное время суток расход воды, и как следствие – энергопотребление, различаются, мы можем рассчитать экономический эффект от применения ЧРП (см. таблицы).
Расчет эффективности от внедрения системы управления насосами на насосной станции Сосновская
Расчет окупаемости
Взяв данные на момент расчета кВт/ч = 2, 28 руб. и замерив величины энергопотребления с использованием ЧРП и при использовании дроссельной заслонки, мы получим экономию электроэнергии в 42 % при применении преобразователя по сравнению с регулированием заслонкой. .
Таким образом, ЧП стоит 31700 руб., и окупается менее чем за 3 месяца, а система (шкаф управления) на основе частотного преобразователя ориентировочной стоимостью в 120 000 руб.
окупается менее чем за год и далее работает только на экономию энергии и, как следствие – на экономию денежных средств предприятия.
Помимо прямой экономии мы получим:
* экономию электроэнергии до 60%;
* снижение расхода воды до 60% за счет стабилизации давления магистрали;
* уменьшение износа и увеличение срока службы технологического оборудования, исключение гидравлических ударов;
* снижение затрат на ремонт.
Для получения всех перечисленных плюсов от использования частотного преобразователя, необходимо правильно выбрать сам преобразователь. Для примера возьмем частотные преобразователи марки HYUNDAI.
Основными критериями выбора являются тип преобразователя частоты и его основные параметры – номинальный ток и мощность. Выбор типа преобразователя частоты зависит от требуемых параметров диапазона регулирования и точности регулирования количества оборотов двигателя.
Исходя из прочих функциональных возможностей – дополнительные протоколы связи, дополнительные входы и выходы – подбирается конкретная модель преобразователя.
Рекомендуемые модели для «насосно-вентиляторной» нагрузки: №50, №100, №700Е (векторное или векторное «бездатчиковое») и №300Р, №500Р (U/F-управление).
Этап первый. Выясняем характер нагрузки и технологический процесс. В нашем случае это насосная нагрузка. Исходя из требований к точности и диапазону регулирования, выбирается тип частотного преобразователя. Для нашего типа нагрузки наиболее подходят два типа управления: векторное без датчика и U/F-управление.
В таблице представлены варианты (типы) управления, использующиеся в частотных преобразователях.
Типы управления в частотных преобразователях
Этап второй. После выбора типа частотного преобразователя, нам необходимо выбрать конкретный частотный преобразователь. Для этого необходимо определить выходную мощность и выходной ток частотного преобразователя.
Для стандартных асинхронных электродвигателей, которые работают с полной номинальной нагрузкой:
I ном эд ≤ Iчп
Р эд ≤ Рчп.
Для электродвигателей, которые работают с неполной номинальной нагрузкой и для электродвигателей с малыми значениями коэффициента мощности:
I раб эд ≤ Iчп,
где:
Р эд – номинальная мощность электродвигателя, кВт;
Рчп – мощность частотного преобразовател, кВт;
Iном эд – номинальная мощность электродвигателя,А
I раб эд – рабочая мощность электродвигателя, А
U эд – напряжение питания двигателя, В.
Пример. Выбор преобразователя частоты для консольного насоса К 80-50-200.
Тип электродвигателя – низковольтный трехфазный асинхронный, с короткозамкнутым ротором 5АИ 160S2.
Напряжение питания – 380 В.
Мощность – 15 кВт.
Потребляемый ток – 28,8 А.
Коэффициент мощности – 0,89.
В процессе работы насоса двигатель работает с полной номинальной нагрузкой.
Для группы «насосы» целесообразно применение простого векторного и U/F-управления. Нецелесообразно использование ЧП с полным векторным управлением датчиком.
Двигатель работает с полной номинальной нагрузкой, коэффициент мощности двигателя – в рамках стандартного ряда. Поэтому при выборе модели необходимо соблюсти два неравенства:
15 кВт ≤ Р чп
28,8 А ≤ I чп
Iчп = 300 Р – 29А
700 E – 32А
Таким образом, из линейки преобразователей HYUNDAI, на примере которых мы рассматривали использование ЧРП, наиболее подходящими для данной задачи будут модели №700Е и №300Р.
Экономия электроэнергии будет рассмотрена на примере насосного агрегата с ЧП.
При правильном выборе насосного агрегата его расходная характеристика и мощность электродвигателя рассчитаны на обеспечение необходимого давления в системе при максимальном потреблении воды, которое, как известно, приходится на утренние и вечерние часы. Отсюда мы имеем на оставшуюся часть времени избыточное давление в системе.
Регулировать расход можно при полной скорости двигателя, изменяя гидравлическое сопротивление тракта с помощью клапанов или заслонок, однако, дополнительное оборудование, необходимое в этом случае, часто оказывается ненадежным, трудно регулируемым и потребляющим много энергии.
Поэтому наиболее рациональным способом регулирования является снижение частоты вращения приводного двигателя насоса при сохранении неизменной характеристики нагрузки. Динамическое изменение оборотов двигателя становится возможным при использовании датчика давления (датчика обратной связи) и частотного преобразователя (ЧП).
На представленном графике изображены кривые зависимости расхода и энергопотребления. Но для лучшей наглядности можно рассмотреть график тока электродвигателя, на котором представлены кривые тока при использовании ЧРП и при регулировании заслонками. Они соответствуют кривым расхода воды потребителями в различные периоды времени.
Понимая, что в разное время суток расход воды, и как следствие – энергопотребление, различаются, мы можем рассчитать экономический эффект от применения ЧРП (см. таблицы).
Расчет эффективности от внедрения системы управления насосами на насосной станции Сосновская
Наименование | Значение | Размерность |
Насосный агрегат |
| |
Тип насоса | К 80–50–200 |
|
Номинальный напор | 50 | М |
Номинальная подача | 50 | М3/ч |
Частота вращения | 2840 | Об./мин. |
Потребляемая мощность | 15 | кВт |
Мощность электродвигателя | 15 | кВт |
Ном.ток эл/дв | 30 | А |
Оценка экономии |
| |
Стоимость 1 кВт/час | 2,28 | руб. |
Расчет окупаемости
Наименование | Кол-во | Ед. измерения |
Экономия расчетная по сравнению с дросселированием | 42 | % |
Потребление при дросселирование | 360 | кВт/ч |
Экономия при частотном регулировании | 151 | кВт/ч |
Срок окупаемости | 0,83 | лет |
Стоимость шкафа управления с ЧП | 120 000 | руб. |
Взяв данные на момент расчета кВт/ч = 2, 28 руб. и замерив величины энергопотребления с использованием ЧРП и при использовании дроссельной заслонки, мы получим экономию электроэнергии в 42 % при применении преобразователя по сравнению с регулированием заслонкой. .
Таким образом, ЧП стоит 31700 руб., и окупается менее чем за 3 месяца, а система (шкаф управления) на основе частотного преобразователя ориентировочной стоимостью в 120 000 руб.
окупается менее чем за год и далее работает только на экономию энергии и, как следствие – на экономию денежных средств предприятия.
Помимо прямой экономии мы получим:
* экономию электроэнергии до 60%;
* снижение расхода воды до 60% за счет стабилизации давления магистрали;
* уменьшение износа и увеличение срока службы технологического оборудования, исключение гидравлических ударов;
* снижение затрат на ремонт.
Для получения всех перечисленных плюсов от использования частотного преобразователя, необходимо правильно выбрать сам преобразователь. Для примера возьмем частотные преобразователи марки HYUNDAI.
Основными критериями выбора являются тип преобразователя частоты и его основные параметры – номинальный ток и мощность. Выбор типа преобразователя частоты зависит от требуемых параметров диапазона регулирования и точности регулирования количества оборотов двигателя.
Исходя из прочих функциональных возможностей – дополнительные протоколы связи, дополнительные входы и выходы – подбирается конкретная модель преобразователя.
Рекомендуемые модели для «насосно-вентиляторной» нагрузки: №50, №100, №700Е (векторное или векторное «бездатчиковое») и №300Р, №500Р (U/F-управление).
Этап первый. Выясняем характер нагрузки и технологический процесс. В нашем случае это насосная нагрузка. Исходя из требований к точности и диапазону регулирования, выбирается тип частотного преобразователя. Для нашего типа нагрузки наиболее подходят два типа управления: векторное без датчика и U/F-управление.
В таблице представлены варианты (типы) управления, использующиеся в частотных преобразователях.
Типы управления в частотных преобразователях
Параметры | Векторное без датчика: № 50,№ 100,№ 700Е | U/F-управление (насос): № 300Р, № 500Р | Полное векторное управление с датчиком 700V |
Точность поддержания скорости вращения без датчика скорости | ± 2-3% (режим U/F) ± 0,2% (векторный режим) | ± 2–3% | ± 0,1% (векторный режим) |
Точность поддержания скорости вращения с датчиком скорости | – | – | ± 0,01% (импульсный датчик, векторный режим) |
Диапазон регулирования | 1:40 (при управлении U/F) 1:100 (при векторном управлении) | 1:40 | 1:40 (при управлении U/F) 1:100 (при векторном управлении) 1:1000 (с использованием импульсного датчика вращения) |
Возможность управления моментом | Нет | Нет | Есть |
Этап второй. После выбора типа частотного преобразователя, нам необходимо выбрать конкретный частотный преобразователь. Для этого необходимо определить выходную мощность и выходной ток частотного преобразователя.
Для стандартных асинхронных электродвигателей, которые работают с полной номинальной нагрузкой:
I ном эд ≤ Iчп
Р эд ≤ Рчп.
Для электродвигателей, которые работают с неполной номинальной нагрузкой и для электродвигателей с малыми значениями коэффициента мощности:
I раб эд ≤ Iчп,
где:
Р эд – номинальная мощность электродвигателя, кВт;
Рчп – мощность частотного преобразовател, кВт;
Iном эд – номинальная мощность электродвигателя,А
I раб эд – рабочая мощность электродвигателя, А
U эд – напряжение питания двигателя, В.
Пример. Выбор преобразователя частоты для консольного насоса К 80-50-200.
Тип электродвигателя – низковольтный трехфазный асинхронный, с короткозамкнутым ротором 5АИ 160S2.
Напряжение питания – 380 В.
Мощность – 15 кВт.
Потребляемый ток – 28,8 А.
Коэффициент мощности – 0,89.
В процессе работы насоса двигатель работает с полной номинальной нагрузкой.
Для группы «насосы» целесообразно применение простого векторного и U/F-управления. Нецелесообразно использование ЧП с полным векторным управлением датчиком.
Двигатель работает с полной номинальной нагрузкой, коэффициент мощности двигателя – в рамках стандартного ряда. Поэтому при выборе модели необходимо соблюсти два неравенства:
15 кВт ≤ Р чп
28,8 А ≤ I чп
Iчп = 300 Р – 29А
700 E – 32А
Таким образом, из линейки преобразователей HYUNDAI, на примере которых мы рассматривали использование ЧРП, наиболее подходящими для данной задачи будут модели №700Е и №300Р.