Тема 16. Питання енергозбереження в автоматизованих електромеханічних системах

1. Загальні положення

1. Загальні положення

Процес одержання високих покозників ефективності викорис тання електричної енергії в промисловості, но транспорті, підприємствах сільського господарства тощо, який дістав досить по ширену назву — *енергозбереження» (точніше - «ефективність ви­користання електроенергіїW, багато в чому залежить від техніко- економічних показників електромеханічних систем автоматизації (ЕМСА).

Головними показниками оцінки якості сучасних ЕМСА є:

ефективність використання електричної енергії, що визначається витратами цієї енергії но одиницю відповідної продукції;

надійність, що характеризується тривалістю безвідмовної роботи системи,

якість продукції у виробничих системах;

якість виконання транспортних процесія тощо.

техніко-економічні показники, що золежоть від наведених вище та низки інших чинників, з урахуванням особливостей функціонування конкретної системи, в найзагальнішому вшляді вони визначаються як вартість усіх необхідних витрот но одиницю продукції Щоб до сягти високих техніко економічних показників функціонування елект­ромеханічних систем автоматизації різного призначення, потрібно більше уваги приділяти питанням моніторингу, діагностики та захисту

Важливим питанням для надійного функціонування окремих видів електромеханічних систем (EMС) є проблема електромагнітної сумісності.

 Енергозбереження в електромеханічних системах є комплексним і багатоплановим, а в окремих аспектах досить складним пи­танням До головних напрямів його розв′язання належать:  організаційні - забезпечення електромеханічних установок не­обхідними приладами фіксації споживання електричної енергії; недопущення тривалих режимів холостого ходу, не пе­редбачених технологічними умовами, та ін.; 

організаційно-технічні - забезпечення F.MC електроприводами, розрахованими на основі якісних методик, що досить точно відповідають технологічним умовам; узгодження із загальним графіком навантаження підприємства, моменту і тривалості ввімкнення потужних ЕМС та ін.;

 науково-технічні розробка і впровадження енергозбережних електродвигунів, пристроїв і ЕМС із високими техніко-економічними показниками; дослідження і впровадження найвигіднішнх за даних умов (за чинником енергозбереження) установок, режимів, електродвигунів та ін.

Залежно від особ­ливості технологічних об'єктів (наприклад, у разі їх багатовимірності), при ЕМС з кількома взаємозалежними електро­приводами, за різних умов навантаження електроприводів може виникати потреба в компромісних рішеннях і розробках оптимальних систем автоматизації.

Розглядаючи питання енергозбереження слід враховувати, що економія електричної енергії є важливим, хоч і не єдиним чинником, що визначає високий техніко-економічний рівень розвитку ЕМС. Важливе значення має надійність окремих складових і ЕМС в цілому. Цим взначається продуктивність установки, витрати на її ремонт і експлуатацію. У більшості випадків домінуючим є безрека роботи установок і обслуговуючого персоналу.

2. Енергозбереження в EMC із некерованими електроприводами

2. Енергозбереження в EMC із некерованими електроприводами

Функпіонально-енергетична схема ЕМС з некерованим електроприводом, зображена на рис. 6.1, має такі позначення: EE, ME відповідно потоки електричної та механічної енергії; МЕО ме­ханічна енергія, mo використовується в об'єкті для виконання ко­рисної роботи, згідно з його технологічним призначенням; ЕТП. ЕМП — відповідно електротехнічний та електромеханічний перетво­рювачі; ПП — передаточний пристрій. О технологічний об'єкт (робоча машина).

Енергетичні особливості кожного елемента функціональної схе­ми визначені коефіцієнтом корисної дії (ККД) rj. який характеризує частку втрат енергії у відповідному елемент.

 Максимальне значення можна дістати у тривалого некерованого режиму роботи ЕМС за рахунок зростання ККД ЕП до максимально можливого значення (nЕП→max). Для цього слід:.

• використовувати складові ЕП із високими значеннями ККД (наприклад, застосування спеціальних типів електродвигунів із підвищеним значенням ККД). При цьому слід враховувати, шо досягнення підвищеного значення номінального ККД елект­родвигуна приблизно на 5 % потребує збільшення витрат міді та сталі до 25...30 %, що відповідно

Головними напрямами реконструкції ЕМС із нексрованими ЕП за тривалих відхилень Мс від номінального значення можна вважати:

. ступеневу зміну швидкості (для цього використовуються спе­ціальні асинхронні двигуни з короткозамкненим ротором і полюсоперемикальними обмотками статора, шо приводить до ступеневої зміни кількості пар полюсів Р і відповідної зміни синхронної швидкості п = 60/fP);

• застосування додаткового енергозбережного пристрою (ЕЗП) у колі статора двигуна, завдяки якому електродвигун працює (при зміні Мс ) у зоні максимуму ККД на новій характеристиці. Рішення про застосування ЕЗП має бути детально обгрунтовано з урахуванням вартості пристрою, його ККД і впливу на загальні ККД ЕМС порівняно з вартістю збереженої електроенергії (самоокупність ЕЗП не повинна перевищувати 2—3 роки).

Функціональну схему розімкненої ЕМСА з ЕЗП, шо містить еле­менти розімкненої ЕМС, наведено на рис. 6.2. Вимірювальний еле­мент ВП контролює зміну моменту збурення М, і залежно від його величини відповідно діє на енергозбережний пристрій ЕЗП (або на ЕЗП', якщо функції енергозбережного елемента EE і електротехніч­ного перетворювача ЕТП об'єднуються в одному елементі ЕЗП).

Величини номінальних ККД окремих пристроїв, шо входять до складу ЕМС, залежать від типу, потужності та деяких особливос­тей сучасних елементів системи і вказані у відповідних технічних паспортах.

Наведемо деякі приблизні значення ККД головних складових ЕМС. Електротехнічні перетворювачі. В цих перетворювачах широко використовують сучасні тиристори при різних варіантах схемних рішень. їх ККД є досить високим і перебуває в межах 0,95...0,96.

3. Електромеханічні перетворювачі

3. Електромеханічні перетворювачі

Найбільші номінальні значення ККД за приблизно рівної величини інших параметрів (наприклад, швид­кості та потужності) мають асинхронні електродвигуни з короткозамкненим ротором.

Величина ККД є такою:

. для двигунів загальної серії 4А при потужності 0,55...30 кВт та номінальної швидкості п= 1000о6/хв η= 0,7...0,9;

. для кранових асинхронних двигунів із короткозамкненим ро­тором серії MTKF при потужності 2...40 кВт та n= 1000 об/хв. ККД= 0,6...0,82;

.  для двигунів потужних піднімальних машин серії АКН при по­тужності 800...2 000 кВт та n= 750 об/хв η= 0,935...0,948.

Передаточні пристрої. Призначені вони для узгодження швидкості валів електродвигунів та об'єктів. До передаточних пристроїв належать такі редуктори:

циліндричні та зубчасті за наявності мастил, для яких η= 0,95...0,96;

. черв'ячні за однозахідного черв'яка, для яких η  = 0,7...0,75: за багатозахідних черв'яків η  = 0,82...0,92;

передаточні муфти, для яких η = 0,99.

Технологічні об'єкти. Для деяких із них номінальні значення ККД приблизно такі:

. відцентрові насоси: при тиску до 40 кПа ηн =0 3… 0 6,  при тиску понад 40 кПа ηн  = 0,6...0,8;

. відцентрові вентилятори: ηн = 0,4...0,6,

осьові вентилятори: ηн  = 0,5...0,85;

піднімальні машини: ηн  = 0,65...0,7.

4. ЕНЕРГОЗБЕРЕЖЕННЯ В ЕМСА З КЕРОВАНИМИ ЕЛЕКТРОДВИГУНАМи

Де W ‒ загальні витрати електричної енергії в ЕМС за деякий час ро­боти; Qп - Дійсна продуктивність технологічної установки (об'єкта керування) за такий самий інтервал часу.

У більшості технологічних установок номінальний режим уста­новки за правильного розрахунку і вибору елементів ЕП має відпо­відати номінальному режиму роботи електропривода. При цьому електродвигун і технологічний об'єкт працюють у зоні максималь­ного значення відповідних ККД, шо забезпечує номінальний ККД ЕМСА в цілому і номінальну продуктивність технологічної установки.

Водночас у деяких складних технологічних установках при бага­товимірних електромеханічних системах автоматичного керування (ЕМСАК) з багатодвигуновою системою ЕП можливе виникнення потреби в компромісних рішеннях щодо доцільності збереження номінальних режимів із енергозбереження одночасно в ЕП і техно­логічному об'єкті. Так, у деяких вугледобувних машинах, роторних екскаваторах, складних обробних верстатах із багатолвигуновими ЕП, виходячи з особливостей технологічної установки і зовнішніх умов, для одержання мінімуму витрат електричної енергії на одиницю продукції слід узгоджувати швидкості руху окремих ЕП та об'єкта при деяких їх співвідношеннях, залежно від зміни зов­нішніх чинників. (Наприклад, оптимальне співвідношення швид­костей різання вугілля виконавчим органом деяких вугледобувних машин і подачі машини вздовж вугільного масиву залежить від ха­рактеристик вугілля. Тому зі зміною характеристик вугілля для підтримання оптимального співвідношення швидкостей може ста­тися, що один з ЕП має відходити від свого номінального режиму по швидкості (тим самим і від номінального значення свого ККД), забезпечуючи оптимальний режим по енергозбереженню ЕМСАК в иілому.) Аналогічна задача може виникати під час роботи роторного екскаватора, коли швидкість обертання роторного колеса (швидкість різання) має узгоджуватися зі швидкістю руху роторного ко­леса вздовж лінії забою.

При ньому питання технічної економічності роботи кожного окремого електропривода Змінюється вимогою одержання опти­мального режиму по енергозбереженню технологічної установки в цілому, що потребує Компромісного рішення, виходячи із загальних штересів всього комплексу (установки).

Пошук компромісних енергозберігаючих рішень у відповідних системах ЕП—технологічний об'єкт достатньо складне, вони визна­чаються особливостями конкретного об'єкта, прийнятим способом керування, властивостями ЕП та характером зміни зовнішніх умов.

Пріоритетним питанням під час розробки ЕМСАК є визначення способу керування продуктивності об'єкта. Наприклад, якщо мова йде про ЕМСАК турбомеханізмів, то можливе використання двох варіантів керування продуктивністю:

. технологічне - за допомогою напрямних апаратів ДЛЯ венти­ляторів; поворотом лопаток робочого колеса (вентилятори, насоси); зміною положення засувок на нагнітальному трубопроводі (для всіх турбомеханізмів);

. електричне (точніше електромеханічне) — реалізується завдяки керуванню швидкості руху електродвигуна, від якої залежить продуктивність технологічної установки.

Дослідження показали, що найефективнішими є електромеха­нічні способи керування.

Вибір методу плавного керування ЕП, як відомо, залежить від типу Двигуна, особливостей поставленого завдання, техніко-економічних показників відповідної системи керованого ЕП. Найбільш поширеними є:

системи ЕП на основі асинхронних електродвигунів із корот­козамкненим ротором при частотному керуванні;

системи ЕП змінного струму з векторним керуванням;

системи керування за напругою статора двигуна при незнач­ному діапазоні керування ЕП та відсутності особливих вимог відносно точності;

системи на основі асинхронно-вентильного каскаду.

Крім методів плавного керування ЕП, застосовується також дис­кретне керування двигунів змінного струму за стрибкоподібної зміни навантаження (наприклад, за рахунок перемикання числа пар полюсів обмотки статора).

Остаточний вибір електричного методу керування потребує техніко економічного порівняння варіантів відповідно до конкрет­них умов роботи ЕМСАК.

Головними критеріями оцінки є:

капітальні та експлуатаційні витрати;

надійність;

ефективність енергозбереження.

5. Енергозбереження системи ЕП з асинхронними двигунами, керованими за напругою статора

5. Енергозбереження системи ЕП з асинхронними двигунами, керованими за напругою статора

Розглянемо енергозбережну ЕМСАК з ЕП на основі асинхронно­го електродвигуна з короткозамкненим ротором, керованим за нап­ругою статора при тривалому режимі роботи та навантаженні, що може повільно змінюватись.

Втрати електричної енергії в асинхронному двигуні мають магнітну ДРСт, електричну ДРм, механічну ДРмех складові та додаткові втрати ДРдод.

Механічна складова ДРМех визначається втратами на тертя в під­шипниках, опором повітря при обертанні ротора.

Додаткові втрати ДРдод, зумовлені дією вищих гармонік магніто­рушійної сили, пульсапісю магнітної індукції в зубцях магнітопроводу електродвигуна, є незначними і становлять близько 0,5 % його потужності.

При вказаних особливостях роботи ЕМС можна вважати, що на час дії  енергозберігаючої системи статичний момент Мс=const.

Загальні (сумарні) втрати електроенергії у двигуні ДР_ можна визначній при номінальному значенні частоти /„ у вигляді такої за­лежності:

водить у рух технологічний об'єкт в майже сталою величиною Мс після його стрибкоподібної зміни електричний двигун - технологічний об'єкт можна розглядати як загальний складний енерге­тичний об'єкт з екстремальною характеристикою. Тиристорний пе­ретворювач напруги вважається безінерційною ланкою.

Алгоритм роботи екстремальної системи полягає в тому, що спочатку регулятор подає сигнал Uc, який забезпечує номінальне навантаження на статорі двигуна. Через деякий час Dt достатній для завершення перехідною процесу в ЕМС, визначаються і запам'я­товуються підсумкові втрати потужності PS1 , після чого визначають­ся втрати PS2, що відповідають зменшенню напруги на величину AU.

Якщо PS1 - PS2 = DP > 0, то система робить крок у тому ж напрямі, знаходячи відповідне значення DР. Якшо DP<0. шо означає про­ходження точки екстремуму, то система робить крок у зворотному напрямі.

Прийнятий алгоритм роботи системи передбачає можливість виникнення автоколивань.

Підвищення якості екстремальної системи потребує зниження частоти її кроків. Система найбільш придатна для технологічних ус­тановок, що працюють у тривалому режимі з приблизно сталим на­вантаженням при значній потужності, коли витрати на ускладнен­ня схеми керування досить швидко компенсуються економією вит­рат електроенергії.

Прикладами таких установок можуть слугувати вентиляторні, насосні, транспортні та інші установки великої потужності з відпо­відним режимом роботи.

6. ЕНЕРГОЗБЕРЕЖНА ЕКСТРЕМАЛЬНА СИСТЕМА ЗА ЧАСТОТНОГО КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОДВИГУНА

6. ЕНЕРГОЗБЕРЕЖНА ЕКСТРЕМАЛЬНА СИСТЕМА ЗА ЧАСТОТНОГО КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОДВИГУНА

В ЕМС, які за технологічними умовами потребують зміни швид­кості w залежно від величини навантаження Мс. витрати електрич­ні енергії визначаються функціональною залежністю Pc=Ф(U,f,Mc).

Де f _ частота; Мс ‒ статичний момент із невизначеними парамет­рами.

Для кожного значення фіксованої частоти технологічна уста­новка‒електродвигун як об'єкт у системі автоматичного керування втратами електроенергії за частотного керування має свої екстремальні характеристики

Екстремальна система з частотним керуванням забезпечує роботу з мінімумом втрат у сталі Рс, міді Рм та механічних втрат Рмех.

Значення функцій такі:

Структурну схему екстремальної системи з частотним керуван­ням наведено на рис. 6А. На схемі ТПЧ тиристорний двоканаль­ний перетворювач напруги. Один канал забезпечує керування за напругою U=K2 Uc; другий за частотою f=К1 Uf.

Принцип дії алгоритму пошуку екстремуму подібний до схеми  рис. 6.3,з урахуванням особливостей, пов'язаних із наявністю час­тотного каналу керування.

Дослідження екстремальної САК показують, що з її допомогою можна зменшити втрати електричної енергії приблизно на 12% вілносно відповідних втрат за некерованого режиму роботи.

7. Енергозбереження в ЕМСА при врахуванні зміни ккд об'єкта автоматизації

7. Енергозбереження в ЕМСА при  врахуванні зміни ккд об'єкта автоматизації

Питання енергозбереження в ЕМСА здебільшого обмежуються дослідженнями втрат електричної енергії в ЕП, точніше — в елект­ромеханічному перетворювачі (електродвигуні). При цьому недос­татньо враховується вплив зміни режиму роботи технологічного об'єкта та електродвигуна з позицій енергозбереження на можливі зміни ККД ЕМСА в цілому.

У загальному випадку необхідними для розгляду є питання енергозбереження в ЕМСАК, виходячи із загального системного підходу і враховуючи витрати енергії в технологічному об'єкті, а та­кож можливості «технологічного» керування.

Розглянемо такі енергоємні технологічні об'єкти як насоси (на­сосні установки).

8. Насосні установки

8. Насосні  установки

Насосні установки дістали поширення в комунальному місько­му господарстві, на підприємствах, електростанціях тощо. Особлива функція належить насосним установкам на підприємствах видобувної промисловості та комунального господарства. Кількість спо­живаної ними електричної енергії становить близько 20 % енергії, що виробляється в усіх країнах СНД, а втрати від неекономічних ре­жимів роботи в системах водопостачання та водовідведення - віл 5…15 до 20...25 % всієї споживаної ними електричної енергії.

Потужність одного насоса на зрошувальних насосних станціях досягає 12 тис. кВт.

Потужність насоса, кВт

Потужність насосного агрегата, кВт

Коефіцієнт корисної дії насоса пк залежить від його типу, по­тужності. режиму роботи згідно з його фактичним навантаженням.

Значення коефіцієнта запасу К3 насоса залежить від потужності електропривода. Рекомендованими є такі значення К;.

Потужність ЕП, кВт                 Кл

До 50                                       1,20

50...250                                1,15

Понад 250                      1,10

Для некерованого ЕП ПЕП = ПДвПп, Де Пп ‒ ККД механічної передачі між електродвигуном та насосом,

Формула (6.9) дає можливість знайти потужність насосного агрегата, що працює в номінальному режимі, враховуючи Qн та Нн.

Витрати електричної енергії. кВт гад, за деякий час ,

    (6.10)

Крім того, витрати відкачуваної рідини, трубопроводу, запірної та керуючої

апаратур - необхідних елементів насосної установки, які визнача­ть опір мережі транспортуванню робочого тіла (рідини) і зумов­люють відповідні додаткові витрати електричної енергії.

8.1. Системи автоматизації насосних установок

8.1. Системи автоматизації насосних установок

Перш ніж розглядати питання, пов'язані з роботою насосних установок, зупинимося на деяких загальних термінах.

Насос (Н) — гідравлічна машина, яка забезпечує необхідне пе­реміщення речовини (рідини).

Насос + ЕП - насосний агрегат (НА).

Насосна установка (НУ) — комплекс НА (одного або кількох) + трубопроводи + запірна та регулювальна (керуюча) апаратура.

Насосна станція (НС) одна або кілька НУ + допоміжна систе­ма + будівля.

Схему насосної установки наведено на рис 6 5 На схемі позначено: Н — насос з електроприводом; ВС — всмоктувальний трубопровід; НГ — нагнітальний трубопровід.

Крім того, на схемі зображено такі фізичні величини: О — по­дача насоса (об'єм рідини, який перекачує насос в одиницю часу); Н — напір (тиск) (різниця питомих енергій рідини в напірному та всмоктувальному трубопроводі, необхідна для підйому рідини на задану висоту іа подолання сил тертя в трубопроводі).

Напір становить

  (6.11)

де Нвс - висота всмоктування, м; Ннг - висота нагнітання; DH втрати напору в магістрі, шо визначаються опором транспортуванню рідини, м.

Також слід зазначити, шо Нвс+ Ннг становлять геодезичну висоту. Режим роботи насосних установок залежить від їх функціональ­ного призначення і зазвичай змінюється протягом доби від Qmax до Qmin то визначається відповідними графіками (характеристики Q ‒ H). На рис. 6.6 також позначено H01,  Н03 початкові (фіктивні) напори.

Залежність ККД насоса n =f(Q) в межах робочої зони насоса (а‒ б) відповідно до характеристики насоса З наведено на рис 6.6.

При зростанні водоспоживання збільшуються подача насоса та втрати тиску в мережі. Для компенсації втрат тиску збільшують тиск насосної установки.

Вид характеристик Q—Н залежить від конструктивних особли­востей насоса (1 — пологі характеристики; 2 — крутоспадаючі; 3 - з наростаючими та спадаючими частинами) та його швидкості w (1- Характеристики при w=wном ; 1' - при w<wн )

Значення величини Н при Q=0 називають фіктивним та позначають Нф.  У межах рекомендованих подач Q існує залежність

Де Sф - Фіктивний гідравлічний опір насоса.

Відношення фіктивного значення Нф до номінального         визначає крутість напірної характеристики насоса. Нф′=Нф/Нном

Для більшості відцентрових насосів Нф′≈ 1,25 (для чистої води) і Нф′≈ 1,45 (для стічної води).  Для осьових насосів (крутість характеристик найбільша) Нф′≈ 2,0. Для них характеристики Q—Н мають точки перегину (характерис­тика 3).

Залежність між подаванням рідини через трубопровід і напором (тиском), який потрібно мати для забезпечення необхідної подачі, називають характеристикою трубопроводу. Рівняння цієї характе­ристики таке:

 (6.14)

Де H0 - напір на початку трубопроводу; Нст ‒ статичний напір, який зумовлюється геодезичними параметрами; S — гідравлічний опір трубопроводу.

Перетин характеристик Q—H насоса та трубопроводу визначає робочу точку насоса (рис. 6.7).

При характеристиці трубопроводу Г, робочою точкою насосно­го агрегата є Я,.

На рис. 6.7 позначено: Нст1, Нст2, Н02 початкові (фіктивні) напори відповідних характеристик трубопроводів Т1, Т2  і насоса.

Найекономічнішим є режим роботи насоса, коли подача і напір У робочій точці характеристики відповідають максимальному зна­ченню ККД (nmax). Практично припустимим також є вибір робочої точки в межах деякої зони, що відповідає незначним відхиленням ККД від nmax. На характеристиці Q -Н вона обмежена вертикальними штриховими рисками.

Вихід за межі даної зони призводить не тільки до різкого зменшення ККД, а й до можливості виникнення неприпустимих ре­жимів — кавітації та помпажу.

Кавітація полягає в появі «пухирців», може призвести до механічних пошкоджень лопаток робочого колеса і корпусу насоса

 

П о м п а ж виникає за наявності в характеристиці насоса Q-H зростаючої і спадної частин. Так, за характеристики трубопроводу Т2, маємо дві точки перетину а і в з характеристикою насоса.

У разі помпажу режим роботи насоса зі змінними параметрами, які відповідають переходу з точки а в точку в або у зворотному на­прямі, буде нестійким

На практиці може виникати потреба в зменшенні або збіль­шенні продуктивності насоса залежно від витрат. Керування про­дуктивністю зумовлює відповідну зміну напору (рис. 6.8). На цьому рисунку позначено: / характеристика Q—H насоса; 2— початко­ва характеристика трубопроводу; З характеристика трубопроводу при зменшенні його перерізу засувкою; 4- проміжна характерис­тика Q—H  насоса.

Керування насосом можна виконати двома основними шляхами:

• зміною ступеня відкриття засувки в напірній лінії, що веде до зміни її опору та характеристики і відповідної зміни режиму роботи насоса.

•  зміною частоти обертання робочого колеса насоса. Наприклад,  якщо зменшити відповідно частоту обертання насоса то можна одержати його характеристику Q—Ну вигляді характеристики 4. При цьому робоча точка А, що  визначається ха­рактеристикою 2,   дасть змогу одержати необхідну продук­тивність насоса Q2 при значно меншій величині напору (H4). Враховуючи те, шо потужність двигуна насоса і відповідні вит­рати електричної енергії пропорційні добутку продуктивності й напору, при керуванні режиму роботи насоса за допомогою засувок у трубопроводі величина необхідної потужності буде пропорційною площі прямокутника 0-02—А2—Нг При керуванні частотою обер­тання насоса необхідна потужність буде істотно меншою і визнача­тиметься величиною, пропорційною плоші прямокутника 0— Q2— А4‒Н4.

Отже, керування продуктивності насоса за допомогою зміни частоти обертання приводного двигуна є економічним, тому саме йому надається перевага на практиці. Крім того, режим роботи відцентрових насосів може керуватися напрямними апаратами, які встановлюють на вході в насос, та за допомогою інших способів.

Осьові насоси керують за допомогою зміни кута нахилу робочих лопаток. Для окремих типів установок є технічні рішення, які да­ють змогу виконувати керування продуктивністю за допомогою зміни кута нахилу робочих лопаток під час роботи відповідної уста­новки.

Рис. 6.8

8.2. Споживання енергії насосними установками

8.2. Споживання енергії насосними установками

Витрати електричної енергії при роботі насосної установки зумовлюютьсн необхідністю:

‒ переміщення рідини;

‒ переборення гідравлічного опору в трубопроводі.

Крім того, частина енергії, що споживається насосною установ­кою втрачається на подолання сил тертя в самому насосі (під­шипниках, сальниках); у складових електропривода, особливо t електродвигунах (на покриття втрат у міді та сталі), та ін.

Втрати енергії в насосному агрегаті визначають його коефіцієнт корисної дії, який, залежно від потужності та типу насосного агре­гата, може становити від 0,3 до 0,9.

Напір Н0 (тиск) насоса на початку трубопроводу залежить віл статичного напору Нст, який визначається геодезичними показника­ми рівнів рідини та її подачі, а також динамічним напором рідини Ндин, що залежить від подачі Q та характеристики (гідравлічного опору) трубопроводу S:

 (6.14a)

Гідравлічний опір залежить від наявності засувок, вигинів ipv6. їх обробки, наявності зварних швів тощо. Крім того, піт час робо­ти установок на нього впливає корозія.

Оптимальним режимом роботи насосної установки вважають режим за якого насос працює при номінальному розрахунковому Q=Qном і Н=Нном  та максимальному значенні ККД.

Реальні режими роботи насосної установки зазвичай відрізняються від оптимальних.

Еиергоспоживання насосних установок з насосними агрегатами потужністю 800 ‒ 1000 кВт  характеризується тим, шо ці агрегати споживають 90...95 % всієї споживаної станцією електричної енергії. За насосних агрегатів потужністю до 160 КВт ця величина зменшується до 50...75 %.

Найбільші втрати електричної енергії виникають через те п< досить часто насосні установки працюють із підвищеною величиною М шо зумовлюється зростанням гідравлічного опору трубопро­водів, коливанням рівня рідини в приймальних та напірних ємнос­тях (резервуарах), а також зміною величини Q.

У разі зростання рівня рідини збільшується тільки статична складова характеристики трубопроводу. При цьому крутість характеристики Q—Н залишається попередньою і вона перемішується вгору в системі координат.

Зміна гідравлічного опору залежно від величини О спричинює зміну динамічної складової напору Н насоса і крутості характерис­тики, а також зменшення його пропускної здатності та необхідність збільшення напору при тій самій величині Q.

Аналогічний ефект дає низька якість монтажу труб та іншого обладнання.

У разі зменшення подачі Q відносно розрахункової (див. рис. 6.8) виникає невідповідність між дійсним напором Н2 працюючого на­соса і напором, що потрібен для транспортування зменшеної кіль­кості рідини О2. При цьому виникає перевищення дійсного напору на деяку величину DН і зростають непродуктивні витрати електричної енергії.

Графіки спільної роботи насоса і трубопроводу показують, шо при характеристиці насоса і трубопроводу 2 величина DН= H2‒ Н4 (див. рис. 6.8).

Крім того, величина DН збільшується зі зростанням крутості ха­рактеристики насоса і зменшенням фактичної подачі.

У деяких насосних установках під час роботи можлива зміна статичної складової напору Нс, за рахунок зміни рівня рідини в приймальному середовищі (системи водовідведення - осушення, каналізації та ін.). У цьому разі установка вмикається при верхньо­му Рівні, вимикається при нижньому і працює в циклічному режимі.

На рис. 6.9 наведено технологічну схему (a) та характеристики (б) насосної установки. На рисунку позначено. 1 - характеристика трубопроводу, що відповідає нижньому рівню (НР) рідини в прий­мальному резервуарі 4: 2 характеристика трубопроводу, шо відповідає верхньому рівню (ВР) рідини; З- характеристика насоса; б - верхній нагромаджувач рідини; 7‒ трубопровід.  У разі вмикання насосної установки при верхньому рівні і ста­тичному початковому напорі Н1 Н1<Н2 робочий режим відповідає точці А перетину характеристики трубопроводу та насоса (напір H4), 

продуктивність QA). За поступового зниження рівня рідини у во­дозбірнику і відсутності регулювання цього процесу статична скла­дова H збільшуватиметься до H2, що відповідатиме переходу насоса в робочу точку B характеристики 2 і спричинить збільшення напо­ру на > нв та непродуктивних витрат електричної енергії.

Найвигіднішою, з економічного погляду, є стабільна робота ус­тановки з меншим напором, який відповідає стабільному верхньо­му рівню у водозбірнику. Такий режим можливий при встановленні рівноваги між надходженням рідини до водозбірника 4 і характе­ристикою подавального насоса. Для цього останній повинен мати керований електропривод, який відповідно змінював би швидкість обертання (продуктивність насоса) залежно від зміни надходження рідини у водозбірник.

а

б

Рис. 6.10

Щоправда, слід мати на увазі, шо при сталому рівні рідини у во­дозбірнику забезпечується Нст = const, але залежно віл зміни швид­кості обертання (продуктивності насоса) відповідно змінюватиметь­ся загальна величина Н за рахунок його динамічної складової. У разі забезпечення стабільної роботи насоса зникає потреба в частих пусках насосного агрегата.       

Надмірний тиск v трубопроводі також є причиною збільшення різ­них непродуктивних втрат рідини в розподільчій мережі, які можуть досягати 2...5 % від загальної продуктивності насосної установки.

Одна з важливих причин неекономічної роботи насосних установок - невідповідність робочих режимів насосних установок їхнім номінальним режимам (рис. 6.10а).  

Розрахунковий (номінальний) режим роботи установки відповідає точці N перетину розрахункової характеристики трубопроводу 2 з характеристикою насоса 4 за номінальної продуктивності Qн. При цьому номінальне значення ККД насосної установки (крива 5) відповідає nн (рис. 6.10, б).

При фактичних характеристиках трубопроводу 1 або 3 насосна працюватиме з підвищеним або зниженим гідравлічним опором і меншими значеннями ККД ‒ n3 або n1.

Кількість енергії, шо витрачається в результаті відхилення фак­тичного значення ККД від номінального  можна визначити за формулою

Якщо насос вибраний із деяким «запасом за продуктивністю», його характеристика //лежатиме вище розрахункової характеристи­ки /, і фактична робоча точка Л/ф відповідатиме більшому значенню продуктивності 0о, напору М. Фактичні витрати електроенергії в цьому разі будуть істотно вищі (пропорційні прямокутнику

Оф-^-Ч- 0).

Щоб одержати необхідну продуктивність при некерованому на­сосі, слід змінити характеристику тр>бопровол\ за рахунок збіль­шення опору (дроселюванням). У результаті матимемо характерис­тику /// з робочою точкою N„1. При цьому внаслідок збільшення на­пору на величину &Н необхідні додаткові витрати електроенергії.

Економічнішими можуть бути такі технічні рішення:

використання обточування робочого колеса насоса у разі га­рантованого, тривалого, стабільного існування розрахункового режиму; якшо така гарантія відсутня і привод некерований. то використовують дроселювання трубопроводу;

перехід на керований електропривод насоса при зменшенні частоти його обертання (особливо при частій зміні необхідної величини витрат рідини О).

В обох випадках можна дістати характеристику насоса, яка від- "овідатиме розрахунковій характеристиці /. що забезпечить мінімаль­ні витрати електричної енергії при заданій продуктивності насоса Ок.

Розглянемо також інші варіанти технічних рішень керування "родуктивнісг ю насосних агрегатів. Одним із них є керування про- д^імвнісію насоса зміною кута повороту робочих лопаток або ло- "ат°к напрямного агрегата, шо встановлюється на вході в насос:

 

Деякі типи насосів, шо випускаються серійно, мають поворотні лопатки з електричним або гідравлічним приводом. Завдяки ньому є можливим керування насосною установкою під час и роботи при некерованому основному електроприводі, а також розв'язання більш складних задач з оптимального керування ЕМС в цілому.

Звичайний діапазон зміни кута робочих лопаток відносно їх по­чаткового положення становить від ‒(4... 10) до +(2...6).

Керуванням кута повороту робочих лопаток можна змінювати крутість характеристики Q—Н насоса, що дає змогу забезпечити незначні відхилення ККД віл номінального значення при відхиленні режиму роботи насоса від номінального.

Для потужних вертикальних насосів використовують також поворотно-логпастні напрямні апарати (НА), шо встановлюються на вході в насос. Такий апарат має конічний або циліндричний кор­пус, на якому розмішується обтічник і до 12 поворотних лопаток, що мають можливість синхронного повороту на деякий кут за до­помогою допоміжного електропривода.

Зміна куга повороту лопаток НА приводить до відповідної зміни крутості напірних характеристик насоса (рис. 6 12). При цьому ви­никає можливість керування подачею насоса без перевищення напору і зниження ККД установки. На рисунку: 1 - характеристика Q-Н насоса при початковому положенні лопаток напрямного апа­рата; 1′,1”- характеристики насоса при повороті лопаток напрям­ного апарата на деякий кут відповідно +а та -a відносно їх почат­кового положення.           

За початкового (номінального) положення лопаток НА насос забезпечує необхідну продуктивність Qн, при напорі HN (робоча точка N).

Якщо необхідно зменшити продуктивність ДО Q2, то при роботі насоса на початковій характеристиці 1 він працюватиме з перевищенням напору на величину DН2 відносно напору HN.

У разі збільшення продуктивності насосу до Q3, напір зменшува­тиметься на величину DH3.

У разі керування продуктивністю насоса за рахунок повороту лопаток НА, переходячи на характеристику 1', необхідну продуктивність Q2 або Q3 можна дістати при незмінному значенні напору

Спосіб керування за рахунок зміни кутів повороту робочих ло­паток насосів і НА дає змогу одержати необхідні значення продук­тивності та напору при деякому зменшенні витрат електричної енергії і незначному відхиленні роботи установки від номінальною режиму.

Найефективнішим вважається керування насосної установки за рахунок зміни частоти обертання робочого колеса відцентрового насоса, що дає змогу забезпечити керування робочими параметра­ми насосного агрегату в необхідному діапазоні.

Для визначення характеристик насоса при відхиленні дійсного значення швидкості обертання насоса п від номінатьного п„ послу­говуються такими залежностями (формулами зведення):

У насосних установках із статичним напором при змінній частоті обертання насоса слід враховувати характеристику трубопроводу на який працює насос. У цьому разі напірна характеристика відцентрового насоса

згідно з формулою (6.18), при nн = 0,7 характеризується даними, що наведені в табл. 6.1, і відповідною характеристикою (рис. 6.13).

Таблиця б. І

Дійсні робочі параметри насоса мають визначатися на основі реального режиму роботи насосної установки та мережі трубопроводів із врахуванням крутості їх характеристики.

Механічна характеристика насоса має таку залежність:

 (6.19)

Рис. 6.13

де Мс - момент опору насоса, Н • м; N потужність, кВт; п час­тота обертання, об/хв.

Реальні значення Мс істотно відрізняються від величини момен­ту, обчисленого за формулою зведення, яка має вигляд квадратич­ної гіперболи.

Залежність моменту двигуна насоса М від частоти обертання є такою:

Зауважимо, що менші значення к беруть для одиничних насосів, що працюють без статичного напору, а більш. для насос,в, шо працюють із значними статичними напорами. Так, для систем водопостачання k= 3...5.

Коли фіктивний напір насоса Нф дорівнює стичному Нс його подача Q та ККД дорівнюють нулю. Частота обертання, що відповідає такому граничному режимові,

Нп - практично існуючий напір при роботі насоса.

Однією з основних задач автоматичного регулювання режимів роботи насосних агрегатів є визначення необхідно. частоти обертання насосного агрегату для одержання потрібного режиму роботи без перевищення напору.

Формула необхідної частоти обертання насоса залежно від його характеристик і потрібної продуктивності, за якої будуть забезпечtні мінімальні напори на виході насосної установки при необхід­ному діапазоні зміни подачі, мас такий вигляд:

де Нп - статична складова напору; Нф - фіктивна висота підйому рідини (при нульовій подачі); Qm - найбільш можлива для даних умов подача.

Статична складова подачі визначається як різниця геодезичних позначок насосної установки і споживача та вільного напору у спо­живача.

Піл час розрахунків дійсних витрат електроенергії в керованих насосних установках слід враховувати витрати електричної енергії, що мають місце у процесі керування в керованому електроприводі.

З позицій особливостей енергозбереження можна виділити три головні принципово відмінні види керованих електроприводів.

Електроприводи з втратами енергії ковзання: системи ЕП з реостатом у колі ротора, ЕП з гідравлічними або електромагнітними муфтами ковзання.

ЕП з рекуперацією енергії ковзання: різні каскадні системи, наприклад асинхронно-вентильні каскади.

ЕП, що працюють без втрат енергії ковзання: частотні, вен­тильні та з багатошвидкісними електродвигунами

При *=2...5 максимальне значення втрат потужності ковзання становить 8... 15 % ЯИ0М насосного агрегату. Цим втратам відповідає частота обертання 65...80 % птн. При цьому втрати потужності ков­зання відносно невеликі і становлять близько 4...8 % Риом насоса, шо визначає (при простоті таких систем ЕП) досить широке їх викорис­тання в практиці.

Крім втрат енергії ковзання Wковз, у системах ЕП є втрати на вен­тиляцію, тертя в підшипниках тощо, які становлять 1...3 % Рн.

Отже, загальні втрати електричної енергії УК гут можна вважа­ти рівними

Втрати електричної енергії в ЕП, що працюють із рекуперацією енергії. У сучасних каскадних системах одна частина електричної енергії ковзання повергається в мережу живлення, а інша — губиться в ЕП.

Втрати енергії ковзання в ЕП можна визначити за формулою :

 (6.25)

де Wковз— загальні втрати енергії ковзання; пк — ККД каскаду (для сучасних систем цей коефіцієнт досить високий і становить 0,9...0,95).

У каскадних системах є сталі втрати енергії, що не залежать від енергії ковзання. Вони становлять до 3 % споживаної потужності. Враховуючи це, підсумкові втрати енергії в ЕП з рекуперацією

приблизно такі:

 (6.26)

Втрати в ЕП, що працюють без втрат електричного ковзання

Прикладом такого електропривода можна вважати частотно-керовані електродвигуни.

Вказані втрати зумовлені втратами енергії в частотних перетво­рювачах, а також зниженням ККД частотно керованих електродвигунів за рахунок появи вищих гармонік струму та відхилення форми струму від синусоїдної форми. Так, ККД частотного перетворювача ηчп становить 0,9...0,95.

Втрати за рахунок несииусоїдності перетвореного струму становлять 3…5 %.

Загальні втрати енергії можна обчислити за формулою:

де Nб ‒ базова (номінальна) потужність насосного агрегату. кВт; Т- розрахунковий час роботи ЕП; ξ ‒  коефіцієнт, шо враховує втрати, які не залежать від ковзання.

При ступеневому керуванні швидкості електродвигуна ця швидкість змінюється за рахунок перемикання обмоток статора, що змінює кількість пар полюсів р.

n=60f/p

де n - синхронна швидкість асинхронного двигуна; f - частота струму мережі..

Завдяки зміні характеристики двигуна можна одержати робочі точки насоса при зменшенні Q, значно менших напорах і витратах електричної енергії. При цьому слід мати на увазі, шо ККД бага- тошвидкісного електродвигуна на 2...З % менший за ККД одно- швидкісного двигуна.

Основні схеми керованих електродвигунів змінного струму (насос­них установок). Для керування насосними установками використо­вують переважно двигуни змінного струму. При потужності до 600...800 кВт іноді застосовуються двигуни постійного струму.

Є два види частотного ЕП; з проміжною ланкою постійного струму і без неї.

Перетворювач із проміжною ланкою постійного струму будують на основі автономних інверторів як струму (АІС), так і напруги (АІН).

За рахунок несинусоїдності струму при роботі з частотами обертання, близьких до номінальних ККД зменшується на 1…4 % , cosf - на 5…6 %.

У разі звичайного діапазону керування (1: 2 або 1: 3) погіршення умов охолодження при низьких обертах суттєво не впливає на умови роботи електродвигуна, оскільки зменшується напір, подача насоса та потужність двигуна.

Потужність ЕП зумовлюється потужністю частотних перетворювачів, шо випускаються (є частотні перетворювачі до 3500 кВт із проміжною ланкою постійного струму).

Перетворювач без проміжної ланки постійного струму має си­нусоїдну форму кривої напруги на виході, де частота струму не пе­ревищує 25...33 Гц.

Електроприводи із цим типом перетворювачів більш прості та дешеві і використовуються при потужності насосних агрегатів при­близно 250...2 600 кВт.

Керування введенням опору в коло ротора. Цей спосіб використо­вується в електроприводах із двигунами з фазним ротором. При цьому виникають втрати ковзання. Тому цей метод не досить еко­номічний.

Керування за допомогою асинхронно-венттьних каскадів (рис. 6.14). При цьому методі керування змінюється ЕРС в роторі двигуна. Енергія ковзання двигуна Д рекуперується в електричну мережу за допомогою спеціального інвертора І (можливе використання транс­форматора ТР). У коло ротора ввімкнено згладжувальний дросель

ЗД, а також випрямляч ВП.

Під час роботи у двигуновому режимі з. швидкістю, нижчою за синхронну, струм ротора двигуна Д випрямляється за допомогою вентильних випрямлячів ВП. а потім тиристорів, шо працюють як інвертори, та перетворюється на змінний струм із частотою мережі. При ньому випрямлений струм у первинній обмотці трансформатора.

Що зумовлюється напругою ротора, перебуває у протифазі з напругою мережі. В результаті активна  енергія надходить у мережу.

Змінюючи випрямлену напругу ротора, можна регулювати частоту обертання двигуна Д та насоса Н.

Головні особливості асинхронно-вентильних каскадів на насосних установках:

-            потрібний діапазон аміни швидкості ддя багатьох насосних установок незначний (20...30 %),

-            В АВК перетворюється лише потужність ковзання, яка рекуперується в мережу і становить до 15 % потужності двигуна;

-            незначний діапазон регулювання швидкості дає змогу вико­ристовувати відносно прості перетворювачі. Регулювання зміною кількості пар полюсів в обмотці статора.

Низьковольтні двигуни з перемиканням обмоток статора мають потужність до 100 кВт, а високовольтні 500...1 400 кВт.

Приводи з варіаторами частоти обертання. У цих приводах ви­користовуються некеровані асинхронні або синхронні електродвигу­ни. Швидкість обертання насоса змінюють за допомогою механіч­них варіаторів, гідравлічних або електромагнітних муфт ковзання.

9. ДЕЯКІ ОСОБЛИВОСТІ ПОБУДОВИ ЕНЕРГОЗБЕРЕЖНИХ ЕКСТРЕМАЛЬНИХ ЕМСАК

9. ДЕЯКІ ОСОБЛИВОСТІ ПОБУДОВИ ЕНЕРГОЗБЕРЕЖНИХ ЕКСТРЕМАЛЬНИХ ЕМСАК

Розглянуті питання енергозбереження при різних системах ке­рованого електропривода на основі енергозбережних екстремальних САК, а також можливі способи підвищення ефективності енерго­збереження технологічних об'єктів на прикладі таких енергоємних і досить складних об'єктів, як керовані насосні установки, дають змогу зробити такі висновки.

1. Розробка і впровадження спеціальних енергозбережних, в тому числі  екстремальних за чинником енергозбереження, систем керування електроприводами є ефективними при:

- Системах керованого електропривода, які мають можливість забезпечення його незалежного керування, завдяки додатковому каналу, незалежному від основного силового каналу керування швидкості (такі незалежні канали керування можуть бути забезпечені за частотного, векторного керування ЕП змінного струму);

-  потужностях електропривода, коли додаткові витрати на роз­робку енергозбережної САК, враховуючи відносно незначну потужність додаткового каналу керування, виправдовуються отриманою економією електричної енергії в ЕП. В енергозбережній екстремальній САК електропривод є об'єк­том керування, а саму систему можна розглядати як систему стабі­лізації внутрішніх витрат електроенергії на мінімально можливому (екстремальному за певних умов) рівні.

2. Відносно загальної ЕМСАК насосної установки енертозбе- режна екстремальна САК ЕП є внутрішньою замкненою системою, що безпосередньо не впливає на виконання основної технологічної задачі. Для насосних установок такими задачами є:

робота ЕМСАК на підтримання сталого тиску в контрольних точках мережі водопостачання при зміні витрат рідини;

підтримання сталою рівня рідини в нагромаджувачі за раху­нок керування продуктивністю насоса залежно від її витрат.

Керування режимами роботи насоса (його продуктивністю) здійснюється за допомоюю таких принципово відмінних способів:

зміною частоти обертання робочого колеса насоса завдяки зміні частоти обертання електродвигуна;

за допомогою засувок у трубопроводі;

зміною кута нахилу лопаток робочого колеса насоса або нап­рямного апарата, що встановлюється на вході в насос.

Виходячи з розгляду характеристик Q—H насоса і трубопроводу, зазначимо, шо перевага надається першому способу, який дає змо­гу забезпечити економічно вигідне керування роботою насосної ус­тановки.

За другого способу керування насосними установками за раху­нок зміни опору трубопроводів (зміною положення засувок) потре­бує використання спеціальних сервоприводів і відповідними САК і не забезпечує прийнятого ККД.

Особливістю третього способу є принципова можливість зміню­вати кут повороту лопаток під час роботи насоса за допомогою спеціальних пристроїв, забезпечуючи цим можливість переміщення робочої точки насоса в зону збільшення його ККД без зміни часто­ти обертання робочого колеса насоса (його продуктивності). яку забезпечує приводний електродвигун.

Керування кутом повороту лопаток забезпечується ма­лопотужною екстремальною системою керування.

Об'єднання двох локальних малопотужних екстремальних САК „трат енергії в електроприводі та технологічному об'єкті - дає змо­гу побудувати загальну енергозбережну екстремальну ЕМСАК. яка може слугувати додатковим засобом підвищення техніко-економічннх показників керованих технологічних об’єктів і відповідних силових ЕМСАК.