Научная работа: Енергозбереження в електроприводах насосних агрегатів (на прикладі ВАТ "Полтававодоканал")

Міністерство освіти і науки України

Полтавський національний технічний університет імені Юрія Кондратюка

Наукова робота

на тему:

"Енергозбереження в електроприводах насосних агрегатів (на прикладі ВАТ "Полтававодоканал)"

Полтава

2006

Зміст

Вступ

1. Загальні відомості

2. Потенціал енергозбереження на полтавській філії ВАТ "Полтававодоканал"

3. Огляд сучасних методів та підходів до енергозбереження у водопровідно – каналізаційних господарствах (ВКГ)

4. Регульований електропривод

4.1 Система перетворювач частоти – асинхронний двигун

4.2 Особливості енергетики вентильних електроприводів

5. Застосування регульованого електроприводу насосних агрегатів

Висновки

Список використаної літератури

Додаток

Вступ

Водопровідно – каналізаційні господарства України на перехідному етапі розвитку економіки опинились у кризовому стані. Це викликано цілою низкою факторів – відсутністю централізованого фінансування розвитку, реконструкції та модернізації; ростом неплатежів за послуги; зношеністю мереж і споруд; високою енергоємністю виробництва та надання послуг; зростанням цін на електроенергію, вільними цінами на реагенти та матеріали.

З огляду на постійне зростання питомої ваги витрат на енергоресурси (в першу чергу на електроенергію) в собівартості послуг водопроводу та каналізації у даний час найбільш актуальним постає питання енергозбереження.

З енергетичної точки зору система водопостачання та водовідведення міста є складним комплексом, експлуатація якого вимагає систематичного проведення технічних, економічних та організаційних заходів по підвищенню енергоефективності.

В той час, коли ціни на енергоносії були у 20-30 разів нижче сучасних, заходи по підвищенню енергоефективності не мали економічного сенсу. Але сьогодні підвищення енергоефективності вигідне водопровідно – каналізаційним господарствам.

В даній роботі буде розглянуто застосування технічних заходів щодо підвищення енергоефективності, зокрема енергозбереження в електроприводах насосів. Особливу увагу приділено впровадженню регулюємого електроприводу.

Найбільш простим, дешевим і надійним електричним двигуном є асинхронний двигун, тому його використання в регулюємому електроприводі представляє особливий інтерес.

Регулювання швидкості асинхронного двигуна зміною частоти (частотний спосіб) є одним із найбільш перспективних і широко впроваджується в даний час. Він забезпечує плавне регулювання швидкості в широкому діапазоні, а отримані характеристики володіють досить високою жорсткістю. Крім того, він відрізняється ще однією важливою перевагою – регулювання швидкості асинхронного двигуна не супроводжується підвищенням його ковзання, тому втрати потужності при регулюванні швидкості виявляються невеликими.

1. Загальні відомості

Полтавська філія водопровідно – каналізаційного господарства ВАТ "Полтававодоканал" забезпечує питною водою підприємства та населення загальною чисельністю близько 300 тисяч чоловік.

За останні роки обсяги виробництва значно знизились, добова продуктивність системи водопостачання наведена на мал. 1.1.

Мал. 1.1. Добова продуктивність системи водопостачання за останні 5 років

В системі експлуатується 4 водопровідних насосних станції та водопровідні очисні споруди проектною потужністю 120 тис. м³ / добу. Доля затрат об'єктів водовідведення у загальному споживанні підприємства надзвичайно мала, тому в даній роботі основний акцент буде робитись на водопостачання, як основний виробничий процес підприємства.

Система водопостачання забезпечується з поверхневого джерела р. Ворскла. Загальна характеристика водопровідних насосних станцій та технічна характеристика устаткування насосних станцій наведені у табл. 1.1 та додатку 1.

Таблиця 1.1 Загальна характеристика водонасосних станцій полтавської філії ВАТ "Полтававодоканал"

Значним фактором, що впливає на ефективність використання енергетичних ресурсів є режим роботи основних енергоспоживаючих об'єктів та способи регулювання технологічними процесами.

У зв'язку з технологічною особливістю виробництва полтавської філії ВАТ "Полтававодоканал" режим роботи насосних станцій не змінюється. Але маючи тенденцію до постійного зменшення обсягів виробництва насосні станції працюють менш ніж на 50% своєї проектної потужності.

ВНС 1 працює на 45% від своєї проектної потужності. В роботі постійно знаходиться один насосний агрегат (НА) 600 В – 1,6/100А (Q=5760 м³ /год, Н=100 м, Р=1600 кВт).

ВНС 2 працює на 37% від своєї проектної потужності. В роботі постійно знаходиться один НА – Д6300 – 80 (Q=6300 м³ /год, Н=90 м, Р=1600 кВт).

ВНС 3 працює на 56% від своєї проектної потужності. В роботі постійно знаходиться один НА – Д4000 – 90 (Q=4000 м³ /год, Н=90 м, Р=1250 кВт).

ВНС 4 працює на 67,5% від своєї проектної потужності. В роботі постійно знаходиться один НА – Д3200 – 75 (Q=3200 м³ /год, Н=75 м, Р=800 кВт).

Необхідна подача води здійснюється завдяки регулюванню напірною засувкою НА (дроселювання), що призводить до значних витрат електроенергії.

Про неефективність режимів роботи насосних станцій також свідчать низькі значення усередненого ККД, що наведені у додатку 2.

Приведені дані, особливо низькі значення ККД по годинах доби, свідчать про нестабільність та неефективність режимів роботи об'єктів водопостачання. Таке положення викликане невідповідністю встановленого обладнання на насосних станціях сформованим вимогам, на даний час, потреб споживачів у воді (великий спад обсягів виробництва), та також відсутністю сучасних засобів регулювання продуктивності насосних станцій.

2. Потенціал енергозбереження на полтавській філії ВАТ "Полтававодоканал"

Наведені в попередніх розділах дані свідчать про наявність потенціалу енергозбереження у полтавської філії ВАТ "Полтававодоканал". Потенціал економії електроенергії закладений у сфері основного виробництва підприємства в системі водопостачання. Очевидно, що найбільший потенціал енергозбереження мають об'єкти, що є основними споживачами електроенергії, це в першу чергу водопровідні насосні станції. Головним негативним фактором, який впливає не неефективне використання енергетичних ресурсів, безумовно, є зменшення обсягів виробництва, що викликане зменшенням абонентами обсягів споживання. В зв'язку з цим насосні агрегати на всіх чотирьох станціях працюють приблизно на 50% своєї продуктивності, регулювання подачі води при цьому здійснюється за допомогою дроселювання напірною засувкою, що призводить не тільки до занадто великих витрат електроенергії, а й достроковому зносу обладнання. Про кризовий стан у сфері енергоефективності виробництва свідчать й такі показники, приведені в попередньому розділі, як усереднений ККД насосних станцій, значення якого становить 0,2 – 0,44 та фактичні питомі витрати електроенергії. Виходом з цього положення будуть такі енергозберігаючі заходи як впровадження регулюємого електроприводу. Важливим потенційним фактором енергозбереження є удосконалення системи обліку води та енергії, це в першу чергу впровадження сучасних ультразвукових витратомірів та заміна застарілих електролічильників на більш сучасні з підвищеним класом точності. Так за рахунок зниження неврахованої води може бути отримана економія від 1 тис. грн. до 7 – 10 тис. грн. для одного витратоміра на місяць при діючому тарифі на воду. Створення автоматизованої системи обліку електроенергії на базі сучасних приладів дозволило б заощаджувати орієнтовно 5% від загального споживання електроенергії.

3. Огляд сучасних методів та підходів до енергозбереження у водопровідно–каналізаційних господарствах (ВКГ)

Основний висновок по енергетичному обстеженню полтавської філії ВАТ "Полтававодоканал" – це наявність значного потенціалу економії енергоресурсів.

У даному розділі розглядаються сучасні методи та підходи до енергозбереження у водопровідно – каналізаційному господарстві, що досить добре апробовані за останні 30 років, і успішно застосовуються на практиці.

Енергозберігаючі технології у водопровідно – каналізаційних господарствах значно розвинулись за останні 30 років, успішно застосовуються на підприємствах і забезпечують ефективність енергоспоживання.

Структура основних методів (технологій) енергозбереження наведена мал. 3.

Мал. 3. Структура методів енергозбереження у ВКГ

4. Регульований електропривод

4.1 Система перетворювач частоти – асинхронний двигун

Регулювання частоти являє собою більш складну задачу, ніж регулювання випрямленої напруги, так як потребує додаткових ступенів перетворення енергії.

Найбільше число ступенів перетворення характерне для електромашинних перетворювачів частоти. Для регулювання частоти напруги, що виробляється синхронним генератором, необхідно регулювати його швидкість. Для цих цілей привод генератора необхідно здійснювати або за допомогою системи Г – Д, або по системі ТП – Д. Електромашинний перетворювач частоти два перетворювальні агрегати: асинхронний двигун, який обертає генератор постійного струму, і двигун постійного струму, який обертає синхронний генератор з потрібною швидкістю. Електропривод з таким перетворювачем частоти має п'ять ступенів перетворення енергії, збільшену десь у 5 разів масу, габарити і ціну (в порівнянні з нерегулюємим електроприводом), погіршений ККД і його використання економічно недоцільне.

Мал. 4.1.1. Схема електропривода з електромеханічним перетворювачем частоти

На мал. 4.1.1 Наведена схема вентильно – електромашинного перетворювача частоти, в якому регулювання швидкості синхронного генератора відувається по системі ТП – Д. Тут замість електромашинного агрегата, який виробляє регулюєму напругу постійного струму, використаний більш економічний тиристорний перетворювач. Але і в цьому випадку перетворювач частоти містить три ступені перетворення енергії, із них дві – електромеханічного перетворення. Схема безпосереднього регулювання швидкості по системі ТП – Д простіше і дешевше, тому використання системи ПЧ – АД може мати місце лише тоді, коли двигун постійного струму не може бути використаний для привода виконавчого механізму по технічним умовам.

При зміні частоти необхідно регулювати напругу або струм статорної обмотки асинхронного двигуна. На мал. 4.1.1 в схемі відповідно присутні два канали: канал управління частотою (U_у.ч ), який діє на швидкість синхронного генератора СД, і канал управління напругою, який діє на збудження СД (U_у.н ).

Канал управління частотою має структуру системи ТП – Д (мал. 4.1.1) і володіє значною інерційністю, що обумовлена механічною інерцією перетворювального агрегата системи ПД – СГ. Канал регулювання напруги також інерційний в зв'язку з наявністю електромагнітної інерції ланцюга збудження синхронного генератора. Тому як об'єкт керування схема, представлена на мал. 4.1.1 володіє несприятливими властивостями.

Найменшим числом ступенів перетворення енергії володіють вентильні перетворювачі частоти. Вони містять ступінь перетворення змінного струму в постійний і ступінь інвертування. Ці дві ступені в самостійному вигляді присутні лише в перетворювачах частоти з ланкою постійного струму. В перетворювачах частоти з безпосереднім зв'язком функції випрямлення і інвертування суміщені в реверсивному перетворювачі постійного струму, випрямлена напруга або струм якого змінюються з потрібною частотою за допомогою системи керування перетворювачем. Як наслідок, найбільш близьким до системи ТП – Д масогабаритними показниками володіє система ПЧ – АД з перетворювачем з безпосереднім зв'язком, а система з перетворювачами, які містять ступінь постійного струму, поступається по цим показникам системі ТП – Д. Але недоліки по мірі вдосконалення вентильних перетворювачів частоти постійно скорочуються, і суттєві переваги асинхронного двигуна визначають неабияку перспективність системи ПЧ – АД.

Вентильні перетворювачі частоти можуть володіти або властивостями джерела напруги, або властивостями джерела струму. В першому випадку наряду з входом керування частотою u_у.ч , перетворювач має вхід керування напругою u_у.н (мал. 4.1.2 а)). У випадку інвертора струму регулювання магнітного потоку машини при регулюванні частоти здійснюється по входу керування струмом u_у.т (мал. 4.1.2 б)).

Мал. 4.1.2. Схеми асинхронного електропривода з перетворювачами частоти (а, б) і векторна діаграма (в)

Канал керування частотою може здійснювати або дискретне, або неперервне формування частоти напруги і струму. При неперервному формуванні синусоїдальної напруги чи струму заданої частоти його можна вважати практично безінерційним. Канал керування напругою або струмом діє на тиристорний перетворювач і його швидкодія може оцінюватись швидкодією цього керованого перетворювача.

При такому керуванні напруга в схемі на мал.. або струмом в схемі на мал. , яке забезпечує постійне потокозчеплення , або при постійності або в межах значень абсолютного ковзання рівняння механічної характеристики двигуна має вигляд:

(4.1.1)

Мал. 4.1.3. Структурна схема лінеаризованої системи ПЧ - АД

В системі ПЧ – АД (мал. 4.1.3):

(4.1.2)

Доповнивши ці рівняння рівнянням руху двигуна електропривода, отримаємо систему рівнянь, якій відповідає наведена на мал.. система ПЧ – АД.

Параметри і в цій структурі повинні відповідати потрібному режиму роботи електромеханічного перетворювача: , або .

Динамічні властивості системи ПЧ – АД як об'єкта керування менш сприятливі, ніж динамічні властивості регулюємих електроприводів постійного струму, в зв'язку з відсутністю незалежного каналу регулювання потоку, аналогічно обмотці збудження двигуна з незалежним збудженням. Так при живленні від джерела напруги потокозчеплення , , повинні залежати від напруги U₁ , частоти f₁ та абсолютного ковзання s_а .

Для підтримання потоку на заданому рівні при цих умовах необхідне регулювання його або по відключенню, або по принципу компенсації. В останньому випадку керування напругою u_у.н або струмом u_у.т реалізується на основі відомого взаємозв'язку між , , та керуючими діями U₁ або І₁ та факторами f₁ і s_а .

Взаємозв'язок U₁ і можна визначити за допомогою рівнянь електричної рівноваги, записаних у векторній формі для статичного режима в осях х, у і представити у вигляді:

(4.1.3)

Дана залежність дозволяє для поточних значень частоти в абсолютного ковзання визначити значення напруги U₁ , які в статичному режимі роботи відповідають умові . Вона використовується для формування структури функціонального перетворювача, який керує напругою перетворювача частоти в процесі роботи електропривода.

В динамічних режимах зміна момента двигуна відповідає зміні кута між вектором напруги або струму статора і вектором намагнічуючого струму машини . При незмінній фазі вектора (або при живленні від джерела струму) зміна вказаного кута реалізується за рахунок переміщень ротора, і внаслідок механічної інерції виникають невідповідності, які порушують вираз . Зміна основного потоку машини викликає появу електромагнітної інерції, і динамічні властивості електропривода як об'єкта керування суттєво погіршуються.

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 і_1х 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 u_у.т і частотою u_у.ч також входом керування фазою струму u_у.ф . Рівняння механічної характеристики при :

(4.1.11)

де .

При ідеальному підтримуванні електромагнітна постійна Т_э 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 Т_э .

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 М_ном 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 U_т.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)І_1ном , 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:

К_с =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:

К_м =К_з ·К_с (4.2.15)

а при наявності несиметрії енергоспоживання по фазах:

К_м = К_з ·К_с ·К_н (4.2.16)

де К_н = - 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 α_{ф 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 α_ф ≤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:

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

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

- 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:

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

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

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

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

- 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 - Н_п =54 м;

Потрібна продуктивність - Q_п =2630 м³ /год;

Номінальний напір - Н_н =100 м;

Номінальна продуктивність - Q_н =5760 м³ /год;

Номінальне число обертів - n_н =750 об/хв;

Потужність насосного агрегату: N_н =1600 кВт;

Висота підйому води при нульовій продуктивності - Н_ф =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 N_н – 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 - Н_п =65 м;

Потрібна продуктивність - Q_п =2320 м³ /год;

Номінальний напір - Н_н =90 м;

Номінальна продуктивність - Q_н =6300 м³ /год;

Номінальне число обертів - n_н =750 об/хв;

Потужність насосного агрегату: N_н =1600 кВт;

Висота підйому води при нульовій продуктивності - Н_ф =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:

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

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

- 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)