1. Область применения методики
Применение преобразователей частоты для управления асинхронными двигателями, широко распространены во всех отраслях промышленности, коммунального хозяйства и др. позволяют, благодаря качественно новым свойствам электроприводов получить значительные выгоды как в качестве технологических процессов, надежности и долговечности оборудования, так и реальную и весьма ощутимую экономию электроэнергии, что является первоочередной задачей в условиях энергетического и экономического кризиса на Украине.
Одной из наиболее широких и энергоемких областей применения регулируемого электропривода, являются асинхронные электроприводы с «вентиляторной» характеристикой, приводными механизмами которых являются вентиляторы и насосы.
Среди установок с этой характеристикой можно выделить:
- насосные станции подачи холодной и горячей воды служб комму¬нального хозяйства;
- насосные станции и отдельные агрегаты водоснабжения промышленных и сельскохозяйственных предприятий;
- агрегаты водоочистных и канализационных систем;
- приводы теплообменников;
- агрегаты систем вентиляции и дымососов;
- тягодутьевые механизмы котлоагрегатов;
- и др.
Аналогичные агрегаты применяются для подачи других жидкостей и газов.
Изменение потребного расхода воды (воздуха, газа) в таких системах до настоящего времени регулируется изменением сопротивления трубопровода (воздухопровода) посредством применения различного вида заслонок (дроссельных и т.п.), при этом часть мощности приводного агрегата тратится на преодоление этого вводимого сопротивления, то есть на чистые потери, что приводит к бессмысленным потерям электроэнергии.
Применение частотного регулирования асинхронного двигателя позволяет полностью исключить эти потери, причем экономия электроэнергии от их внедрения тем выше, чем большим является диапазон изменения расхода.
2. Основные положения и зависимости
Основными параметрами для расчета являются:
Р - мощность агрегата
Q- расход
n - число оборотов вала асинхронного двигателя (агрегата)
Для упрощения методики все расчеты целесообразно проводить в отно¬сительных единицах, поэтому ниже приведем соотношения для двух способов регулирования, используя следующие базовые параметры:
Рн - номинальная мощность агрегата на частоте питания АД 50 Гц и но¬минального значения расхода;
qн - номинальное значение расхода;
nн - номинальное значение оборотов при частоте питания АД 50 Гц.
Тогда относительные значения:
р = Р / Рн - относительное значение мощности
q = q / Qн - относительное значение расхода
Кn = n / nн - коэффициент регулирования частоты (оборотов)
2.1. Регулирование дросселированием.
В этом случае зависимость мощности от расхода определяется естест¬венной характеристикой насоса (вентилятора), вид которой представлен на рис.1. Эта характеристика описывается уравнением (в о.е.)
pд = Кр + q*(1-Кр) (1)
где pд - относительное значение мощности при регулировании дроссели¬рованием насоса (вентилятора);
Кр - относительное значение мощности регулирования дросселировани¬ем насоса (вентилятора) при полностью закрытой заслонке.
Кр = Р0 / Рн ,
где P0 - абсолютное значение мощности при полностью закрытой за¬слонке.
2.2. Частотное регулирование.
При частотном регулировании действуют следующие соотношения:
q = n
p = n3
pч = q3 (2)
где Рн - относительное значение мощности при частотном регули¬ровании и зависимости мощности от расхода имеет вид представленный на рис.1 п. 2.
2.3. Экономия энергии.
Экономия энергии при замене регулирования дросселированием частот¬ным регулированием в каждый момент времени определяется разностью мощ¬ностей из уравнений 1 и 2
∆p = Kp + q* (1 - Kp) – q3
и с учетом зависимости расхода от времени q(t) в о.е.:
t2
e = ∫(Kp + q* (l - Kp) - q3)dt
t1
где t1 и t2 соответствуют времени начала и окончания цикла работы или в аб¬солютных значениях:
Е = Рн * е
Во всех изложенных выводах считаем, что КПД двигателя мало зависит от режима и КПД преобразователя равен 1, что существенно упрощает расчет и дает погрешность в экономии (в рабочем диапазоне работы насоса или вен¬тилятора) не более 10 %, что может быть учтено в окончательном результате.
3. Исходные данные
Для расчета экономической эффективности от внедрения частотного ре¬гулирования на конкретной установке необходимы следующие данные:
- номинальные параметры установки;
- характеристика насоса (вентилятора) при номинальных оборотах;
- график расхода воды (воздуха) во времени в течение рабочего цикла (сутки, смена);
3.1. Номинальные параметры:
а) Мощность насоса (вентилятора)
б) Расход
Номинальные параметры, приведенные в паспорте на насос (вентилятор) либо в справочных материалах на соответствующее оборудование.
В случае отсутствия таковых данные могут быть получены эксперимен¬тально (см. п. 3.2.)
3.2. Характеристика насоса (вентилятора) при номинальных оборотах. Зависимость мощности от расхода.
Эта зависимость среди прочих приводится в характеристике данного механизма. Конкретная характеристика может быть взята из справочника на соответствующее оборудование либо непосредственно у завода изготовителя.
При отсутствии этих данных характеристика может быть получена экспериментально, причем, поскольку она линейна, достаточно получить значение мощности и расхода в двух точках:
- при полностью закрытой заслонке (Р0, Q0);
- при полностью открытой заслонке и эти значения принять за номинальные (Рн, Qн).
3.2.3. При отсутствии паспортных и невозможности получения экспериментальных данных можно, имея номинальные параметры агрегата, задаться Кр (см. п. 2.1.) приближенно для однотипных агрегатов:
- для центробежных насосов Кр ≈ 0,55
- для вентиляторов Кр ≈ 0,85
- для дымососов Кр ≈ 0,65
Рис.1 Зависимость потребляемой мощности Р от расхода Q (теоретическая)
