Что такое ЧРП насоса и для чего он используется

С.А. Байбаков, заведующий лабораторией теплофикации;к.т.н. Е.А. Субботина, научный сотрудник лаборатории теплофикации;К.В. Филатов, научный сотрудник лаборатории теплофикации;В.М.

Нагдасев, заместитель заведующего лабораторией перспективного развития систем теплоснабжения; А.Ю. Желнов, главный инженер проекта лаборатории перспективного развития систем теплоснабжения, ОАО «ВТИ», г. Москва

1. Насосы в энергетике

В настоящее время применяется большое количество типов центробежных насосов различного назначения. Это насосы отечественного производства типов К (Км), Д, СЭ, Кс и т.д., а также насосы зарубежных фирм. По каждому из указанных типов разработана и выпускается широкая номенклатура различных номинальных производительностей и напоров, что позволяет в каждом конкретном случае подобрать требуемые характеристики.

Следует рассматривать в основном две возможные гидравлические схемы, в которых используются насосные установки. В первом случае это «проточные» схемы, в которых вода после насоса непосредственно разбирается из различных точек трубопроводной системы. Во втором — применяются циркуляционные системы, в которых водоразбор из трубопроводов не производится, или имеет незначительную величину. В дальнейшем будем рассматривать циркуляционные системы, широко распространенным примером которых являются водяные тепловые сети.

2. Регулирование насосов

Подбор и работа насосов производится в соответствии с гидравлическими характеристиками систем, для которых должен быть обеспечен требуемый расход теплоносителя или заданный уровень давлений. Это могут быть системы с постоянным или с переменным расходом перекачиваемой среды, связанным с изменением гидравлического сопротивления элементов. В реальной эксплуатации, как для тех, так и для других условий, как правило, необходимо регулирование параметров насосов, что обуславливается двумя факторами.

Во-первых, для циркуляционных систем с постоянным расходом воды, таких как, например, системы отопления при их независимом присоединении к тепловым сетям, необходимость регулирования обуславливается дискретностью номинальных характеристик насосов, которые почти всегда не полностью соответствуют гидравлическим характеристикам систем. При этом за счет регулирования достигается требуемое соответствие, обеспечиваемое поддержанием необходимого перепада давлений на входе в систему или прямого поддержания заданного расхода.

Во-вторых, для систем с переменным гидравлическим сопротивлением элементов, определяющимся работой различных регуляторов (например, регуляторы температуры воды на горячее водоснабжение в системах теплоснабжения и т.д.) необходимость регулирования насосов обуславливается изменением гидравлических характеристик присоединенной системы и соответствующим изменением расхода перекачиваемой воды. В этом случае задачей регулирования является только поддержание заданного перепада давлений (располагаемого напора) в присоединенной системе.

При регулировании насосов в циркуляционных системах производится поддержание давления на всасе циркуляционных насосов за счет работы насосов подпитки. Требуемый перепад давлений в системе обеспечивается поддержанием давления после насосов в подающем трубопроводе.

Принципиально возможно применение трех основных способов регулирования насосов: это регулирование дросселированием части развиваемого напора, регулирование перепуском части воды с нагнетания на всас насосов (регулирование рециркуляцией) и регулирование изменением частоты вращения вала насосного агрегата. В качестве последнего в дальнейшем будет рассматриваться в основном частотное регулирование электродвигателя насоса (ЧРП).

Для понимания процесса организации регулирования при указанных способах, ниже приведены соответствующие диаграммы (графики) совместных характеристик насосов с учетом работы регуляторов и присоединенной сети. При этом режим работы циркуляционной системы (расход воды и перепады давлений) определяется точкой пересечения гидравлических характеристик насоса и сети.

Рассмотрим предварительно регулирование насоса при присоединении сети с постоянными гидравлическими сопротивлениями ее элементов. При этом задачей регулирования является обеспечение требуемого расхода, которое не всегда может быть непосредственно обеспечено насосом с выбранной характеристикой. Необходимый расход при этих условиях может устанавливаться как за счет использования регулятора расхода, так и поддержанием соответствующего располагаемого напора в присоединенной сети.

На рис. 1 приведена условная схема циркуляционной системы с регулятором давления и постоянным гидравлическим сопротивлением сети, а также соответствующая диаграмма при регулировании дросселированием.

Как следует из рис. 1, при отсутствии регулятора давления точкой пересечения характеристики насоса и сети, обуславливающей режим работы циркуляционной системы без регулирования, является точка а. При этом расход воды в сети будет превышать требуемое его значение, равное Vс Наличие регулятора приводит к понижению располагаемого напора насоса на величину дросселирования в регуляторе и обуславливает работу системы в точке б, что обеспечивает установление требуемого расхода. Точка характеристики, в которой осуществляется работа самого насоса, соответствует при этом точке в диаграммы.

В этом случае (при постоянном сопротивлении сети) поддержание заданного перепада давлений ΔΗс обеспечивает величину требуемого расхода. Для рассматриваемых условий вместо регулятора давления может быть использован регулятор, непосредственно поддерживающий расход воды. Диаграмма параметров режимов при этом останется той же самой.

При дросселировании имеют место потери энергии, связанные с регулированием и определяющиеся величиной дросселирования на регулирующем клапане ΔΗрд.

Для анализа режимов и возможностей при регулировании рециркуляцией части воды с нагнетания на всас насоса, на рис. 2 приведена аналогичная представленной ранее диаграмма режимов для такого регулирования при постоянном гидравлическом сопротивлении сети.

Как следует из рис. 2, без регулятора режим работы циркуляционной системы будет соответствовать точке а диаграммы, и расход воды будет превышать требуемое значение Vс Открытие клапана регулятора на линии рециркуляции позволит увеличить расход воды через насос и снизить в соответствии с характеристикой его развиваемый напор, доводя тем самым расход воды в сети до требуемого. Открытие клапана приводит к работе насоса на сеть с другой, отличной от присоединенной сети характеристикой. При этом режим насоса соответствует точке в на диаграмме, а режимы работы собственно присоединенной сети отображаются точкой б.

При постоянном гидравлическом сопротивлении сети поддержание регулятором заданного перепада давлений ΔΗс также как и в предыдущем варианте регулирования, обеспечивает требуемую величину расхода. Для этих целей на линии рециркуляции вместо регулятора давления может быть установлен регулятор, непосредственно поддерживающий постоянным расход воды в сети Vс При рециркуляции, на насосе имеют место дополнительные затраты электроэнергии, связанные с регулированием и обусловленные перекачкой дополнительного расхода воды через линию рециркуляции Vp.

При регулировании параметров насоса изменением частоты вращения вала электродвигателя изменяется собственно характеристика насоса, которая получается практически параллельным переносом исходной характеристики, соответствующей номинальной частоте вращения вала.

Диаграмма параметров режима работы для такого способа регулирования приведена на рис. 3.

Как следует из рис. 3, без учета регулирования режим работы сети и насоса соответствует точке а и расход воды больше требуемого значения Vс. Использование частотного регулятора обеспечивает такое изменение характеристики насоса, при котором ее пересечение с характеристикой сети соответствует точке б, в которой расход воды в системе соответствует требуемому. При этом точка б принадлежит новой характеристике насоса (характеристике при сниженной частоте), и потери мощности на регулирование при этом практически отсутствуют.

Обеспечение требуемого расхода воды в присоединенной сети за счет регулирования приводит к дополнительным потерям энергии, за исключением способа частотного регулирования. Следует отметить, что частотные регуляторы в настоящее время являются достаточно дорогим оборудованием, поэтому в качестве менее затратного мероприятия по обеспечению расхода для сетей с постоянным гидравлическим сопротивлением следует рассматривать возможность обрезки рабочего колеса насоса для обеспечения приемлемого совпадения характеристики насоса и присоединенной цирксистемы или использование гидромуфт, которые также как и ЧРП позволяют изменять частоту вращения вала, хотя и с меньшим диапазоном регулирования. Стоимость установки гидромуфты существенно дешевле использования частотного регулятора. Возможно также изменение гидравлических характеристик системы под характеристику насоса. В тепловых сетях это обеспечивается разработкой и проведением наладочных мероприятий.

3. Оценка требуемой мощности при регулировании насосов

Применение того или иного способа регулирования насосов требует расчета возникающих при этом затрат, связанных с процессом регулирования и их соотнесении с затратами на регулирующее оборудование.

При сопоставлении методов регулирования основной статьей эксплуатационных расходов является затраты, связанные с потреблением электроэнергии. Поэтому ниже приводятся основные подходы к определению величины потребляемой электроэнергии, связанной с мощностью на привод насосов и сопоставлением мощностей для различных способов регулирования.

Величина потребляемой мощности насосов N, кВт определяется по приведенной ниже формуле:

где: ΔΗΗ — развиваемый насосом напор, м; Vн — расход воды при развиваемом напоре, м 3 /ч; ρ — плотность перекачиваемой воды, кг/м 3 ; ηн — КПД насоса; ηэ — КПД электродвигателя.

Формула (1) может быть представлена в следующем упрощенном виде:

где: К — размерностный коэффициент; ηнa — общий КПД насосного агрегата.

Из (2) следует, что геометрической интерпретацией величины потребляемой насосом мощности является эквивалент выделяемой на графике гидравлической характеристики насоса площади прямоугольника со сторонами, равными соответственно ΔΗ и Vн которые определяются рабочей точкой характеристики насоса при данном режиме.

Гидравлическая характеристика насоса в аналитической форме достаточно точно может быть представлена квадратичным трехчленом в виде:

где: А, В и С — коэффициенты уравнения характеристики, которые могут быть определены по трем произвольным точкам графика характеристики насоса.

Для учета изменения характеристики насоса с учетом частоты вращения может быть предложена следующая формула, основывающаяся на условиях подобия:

где: n — текущая частота вращения ротора, 1/с (об./мин); nн — номинальная частота вращения, 1/с (об./мин).

С учетом погрешности аппроксимации значение коэффициента С примерно соответствует напору насоса при нулевом расходе. При полого падающей характеристике коэффициенты А и В всегда отрицательны, и по абсолютной величине на 2 и более порядков меньше величины С. В соответствии с (3) формула для расчета мощности насоса может быть также представлена в виде:

Из последней формулы следует, что без учета влияния КПД при принятых выше условиях потребляемая насосом мощность увеличивается с возрастанием расхода за счет увеличения первого слагаемого, однако с учетом второго и третьего слагаемых темп возрастания снижается. Т.о. рост расхода приводит к увеличению потребляемой насосом мощности.

Следует отметить, что изменение мощности насоса хорошо может быть аппроксимировано линейной зависимостью от расхода перекачиваемой воды и представлено формулой:

где: Nx — мощность холостого хода, кВт; α — коэффициент пропорциональности, для центробежных насосов всегда больший 1.

В соответствии с (1) и условными обозначениями из рис. 1 величина мощности насоса при регулировании дросселированием Nд может быть представлена следующим образом:

где: ηнд — КПД насоса при режиме, соответствующем условиям его работы при дросселировании.

В (6) первое слагаемое представляет собой полезную мощность, непосредственно затраченную на перекачку воды по присоединенной сети. Второе слагаемое связано с потерями на преодоление дросселирования в регулирующем клапане и является затратами мощности на регулирование.

Аналогично, для регулирования рециркуляцией, в соответствии с условными обозначениями из рис. 2 величина мощности насоса N может быть определена по формуле:

где: ηнр — КПД насоса в рабочей точке при суммарном расходе воды через насос.

Первое слагаемое в формуле (7), также как и при регулировании дросселированием, представляет собой полезную мощность, а второе — потери мощности, связанные с регулированием.

Мощность насоса при ЧРП в соответствии с условными обозначениями из рис. 3 может быть представлена в виде:

где: ηнч — КПД насоса в рабочей точке измененной характеристики; ηчр — КПД самого частотного регулятора.

Величина затрачиваемой мощности на насосный агрегат при частотном регулировании практически соответствует полезной мощности на перекачку воды по сети с расходом Vc Следует отметить, что величина КПД частотного регулятора определяется свойствами регулирующей аппаратуры и может приниматься постоянной на уровне 0,95-0,98.

КПД насоса для частотного регулирования ηнч при различных режимах может приниматься равной величине КПД в точке, соответствующей характеристике насоса с номинальной частотой при постоянном гидравлическом сопротивлении сети, которая отображается точкой а на рис. 3.

Затрачиваемая на привод насосов мощность различна при рассматриваемых способах регулирования и зависит от разных параметров. Для оценки эффективности регулирования важно определить соотношение затрачиваемой мощности при разных способах регулирования, и в особенности оценить дополнительные затраты мощности на регулирование. Геометрическая интерпретация (качественная оценка) соотношения мощностей при разных способах может быть получена на основе сопоставления графиков работы при рассматриваемых способах, основанных на графиках гидравлических характеристик насоса с различным регулированием и присоединенной циркуляционной системы. Такой общий график приведен на рис. 4.

На этом рисунке показана номинальная характеристика насоса и характеристика присоединенной системы, а также характеристика насоса с регуляторами при разных способах регулирования, обеспечивающими работу системы с расходом воды Vс

Полезная мощность, затрачиваемая на прокачку воды, как уже отмечалось, определяется площадью прямоугольника с сторонами ΔΗ и Vс что соответствует затратам мощности при частотном регулировании. Дополнительные затраты мощности насоса при регулировании дросселированием соответствуют площади прямоугольника со сторонами ΔΗдр, (отрезок между точками в и б) и Vc. Потери мощности при регулировании рециркуляцией отображаются прямоугольником со сторонами ΔΗс и ΔVp (отрезок между точками б и г).

Важное значение для оценки эффективности регулирования имеет возможность количественного определения дополнительных затрат электроэнергии, связанных с регулированием при различных методах. Ниже приводятся формулы для расчета этой дополнительной мощности.

Как следует из приведенного ранее, наиболее эффективным является частотное регулирование, поэтому сопоставление проводится по отношению к этому методу. Сопоставление будет проводиться для условий рис. 4, т.е. при одинаковых насосах (одинаковые гидравлические характеристики и, соответственно, одинаковые коэффициенты уравнения характеристики), а также одинаковых гидравлических сопротивлениях присоединяемой циркуляционной системы трубопроводов.

Для сопоставления регулирования рециркуляцией и ЧРП, исходя из (7) и (8), может быть получено следующее выражение для разницы мощностей при указанных способах регулирования:

где: ηнp — КПД насосного агрегата при режиме насоса с рециркуляцией; ηнч — КПД насосного агрегата и частотного регулятора при ЧРП.

В формуле (9) основное увеличение затрат мощности на регулирование определяет второе слагаемое, зависящее при заданном располагаемом напоре присоединенной сети от величины рециркулируемого расхода. Первое слагаемое имеет заведомо меньшую величину и определяется соотношением КПД в расчетной точке и в точке с увеличенным расходом воды через насос при рециркуляции.

С учетом последнего, а также исходя из того условия, что величина (1-ηнp/ηнч) практически всегда больше 0, величина δΝрч всегда положительна (в частном случае равна нулю) и требуемая мощность при регулировании рециркуляции всегда больше, чем при ЧРП.

Для сопоставления регулирования дросселированием и ЧРП, исходя из (6) и (8), может быть получено следующее выражение для разницы мощностей при указанных способах регулирования:

где: ηнд — КПД насосного агрегата при режиме насоса с дросселированием.

В (10) основные затраты мощности на регулирование также определяет второе слагаемое, зависящее при заданном расходе в присоединенной сети от величины дросселирования развиваемого насосом напора. Первое слагаемое имеет заведомо меньшую величину и может быть близко к нулю при равенстве соответствующих КПД. Величина ΔΝдч всегда положительна (в частном случае равна нулю) и требуемая мощность при регулировании дросселированием всегда больше, чем при использовании ЧРП.

Из приведенного следует, что величина требуемой мощности при использовании ЧРП насоса практически всегда больше этой мощности при других способах регулирования. В соответствии с этим целесообразно рассмотреть соотношение мощностей при сопоставлении регулирования рециркуляцией и дросселированием. Поскольку использование для регулирования метода рециркуляции воды приводит к необходимости работы насоса с заведомо большим расходом (точка г на рис. 4), чем это требуется для присоединенной сети, то предварительно можно сказать, что требуемая мощность насоса при регулировании рециркуляцией будет превышать ее величину при регулировании дросселированием.

Численное значение разницы требуемых мощностей при регулировании дросселированием по сравнению с использованием рециркуляции может быть получено на основании соответствующих выражений для расчета мощности при этих способах. Из формул (6) и (7) с учетом упрощений из (2) получим требуемое соотношение мощностей:

Величина ΔΝрд как следует из (11), зависит от многих показателей и не позволяет наглядно показать соотношение требуемых мощностей при рассматриваемых способах регулирования. Однозначное сравнение этих способов может быть получено при использовании зависимости требуемой мощности от перекачиваемого расхода в соответствии с (5).

Так при регулировании дросселированием требуемая мощность будет составлять: NД=Nx+α*Vс

При регулировании рециркуляцией требуемая мощность определяется формулой: Nр=Nx+α*(Vс+ΔVр).

Тогда разность мощностей ΔΝрд для этих способов будет определяться выражением:

которое, при α >1, однозначно показывает, что для одних и тех же условий требуемая мощность при регулировании рециркуляцией всегда превышает мощность при регулировании дросселированием, которое является энергетически более эффективным.

(Продолжение следует)

С.А. Байбаков, Е.А. Субботина, К.В. Филатов, В.М. Нагдасев, А.Ю

Желнов, Частотно-регулируемый привод. Регулирование центробежных насосов и методы регулирования отпуска тепла в тепловых сетях

Источник: Журнал "Новости теплоснабжения" №12 (160), 2013 г. , www.ntsn.ru/12_2013.html

• Тема: Энергосбережение
• скачать архив.zip (151 кБт)
• Распечатать статью
• Обсудить статью в форуме
• Tеги: частотно-регулируемый привод

• Оставить комментарий
• Тематические метки (теги)

Частотный преобразователь для насоса: зачем нужен и как работает

В качестве привода насосов широко используются одно- или трехфазные электродвигатели переменного тока. При всех своих достоинствах эти электрические машины обладают одним серьезным недостатком, которым является сложность регулирования скорости и момента на валу.

Основными характеристиками насосных агрегатов являются расход и напор. Эти параметры регулируются при помощи запорно-регулирующей арматуры, включением в работу дополнительных насосов при каскадной схеме регулирования.

Принцип регулирования основан на зависимости скорости вращения ротора электрической машины от частоты питающего напряжения. Частотный преобразователь для насоса изменяет частоту питающего напряжения электропривода насосных агрегатов.

Большинство преобразователей частоты для насоса выполнены на базе схемы двойного преобразования. Переменное напряжение в сети выпрямляется, сглаживается на LC фильтрах, затем поступает на инвертор, где снова преобразуется в переменное напряжение другой частоты. Задание частоты осуществляется широтно-импульсным модулятором, сигналы с которого поочередно отпирают и запирают ключи на силовых транзисторах инвертора.

Частотные преобразователи имеют дискретные и аналоговые выходы для подключения датчиков давления, температуры, приборов измерения расхода, удаленных устройств управления и контроля, аварийной сигнализации и так далее. Обработка данных происходит в блоке управления на базе микропроцессора. Схема управления частотника генерирует сигналы на изменение производительности, включение или отключение насосных агрегатов согласно заданной программе и изменению технологических параметров в системе водоснабжения.

Например, простейшая схема регулирования производительности насосов с обратной связью по давлению в сети водоподачи работает следующим образом:

При падении давления, частотный регулятор формирует сигнал на включение насосных агрегатов. Запуск происходит в плавном режиме, что предотвращает гидроудары. При нарастании давления, сигнал с датчика поступает на частотник, который плавно изменяет скорость вращения приводного двигателя и снижет производительность насосов. Такая схема может включать дополнительные насосные агрегаты при пиковых значениях водопотребления.

Серия VF-51 – универсальный и компактный частотный преобразователь для насоса. Перегрузка — 150%, мощность — от 0,4 до 22 кВт. Подходит для применения с насосами, вентиляторами, станками и конвейерами.

Как выбрать частотный преобразователь для насоса

Многие производители насосного оборудования поставляют насосы уже укомплектованные частотными преобразователями. В паспортных данных насосов без регуляторов обычно указывают конкретные модели преобразователей, совместимых с электродвигателями агрегатов. Однако, при отсутствии этой информации, при модернизации и реконструкции насосных станций с двигателями старого образца возникает вопрос выбора частотников. Подбор регулятора осуществляется по следующим характеристикам:

• Типу электродвигателя. Количество фаз частотника для насоса должен соответствовать типу электродвигателя. При использовании трехфазного электродвигателя в однофазной сети установка частотного регулятора позволяет решить проблему запуска электрической машины без внешнего конденсатора.
• Электрическим характеристикам. Напряжение и потребляемый двигателем насоса ток должны совпадать с аналогичными параметрами частотника. Мощность преобразователя должна быть больше мощности привода насосного агрегата на 15-30%. При выборе по этим параметрам следует обратить внимание, что насосные агрегаты одной мощности могут иметь различные номинальные токи.
• Диапазону регулирования частот. Этот параметр определяет скорость вращения электродвигателя, а значит и производительность насоса. Для грамотного выбора необходимо знать характеристики сети водоподачи и другие параметры. Для циркуляционных насосов систем охлаждения и теплоснабжения обычно достаточно частотника 200–350 Гц, для скважных и глубинных насосов – от 200 до 600 Гц.
• Числу аналоговых и цифровых входов и выходов. Количество разъемов преобразователя частоты должно совпадать с числом датчиков, устройств оповещения и других подключаемых устройств. На случай модернизации системы лучше приобрести частотный преобразователь для нососа с большим количеством управляющих входов.
• По поддерживаемым протоколам связи. Для корректного обмена данными с автоматизированными устройствами управления или удаленного контроля параметров, требуется частотный преобразователь, поддерживающий используемый в САР протокол (САN, LАN или другие).
• Наличию пульта дистанционного управления. Для насосных станций и агрегатов, расположенных в труднодоступных местах, целесообразно подобрать частотный преобразователь с выносной управляющей панелью.

Внимание! При реконструкции насосных станций часто требуется программировать частотники для двигателей, долго бывших в эксплуатации. Для таких электрических машин целесообразно приобрести преобразователи с автоматической адаптацией, так как фактические характеристики этих электродвигателей могу отличаться от паспортных данных.

Преимущества использования частотного преобразователя для насосов

Комплектование электродвигателей насосных агрегатов частотными преобразователями обеспечивает:

• Плавное включение и остановку насосов, что снижает вероятность гидравлических ударов в системе.
• Упрощение автоматического регулирования с обратной связью по напору, давлению, другим параметрам сети. Аналоговые выходы расходомеров и манометров можно подключать напрямую к частотному преобразователю.
• Защиту насосных агрегатов от “сухого хода” перегрузок. Отключение электродвигателей при перегреве обмоток, обрыве одной или нескольких фаз, скачках напряжения и других авариях.
• Увеличение срока службы сети водоподачи за счет точного поддержания необходимого давления, снижения нагрузки на трубопровод.
• Снижение шума при эксплуатации насосных агрегатов.
• Возможность интеграции в многоуровневые системы автоматизации и телемеханического управления.

Сферы применения частотно-регулируемых приводов насосного оборудования

Частотными регуляторами комплектуют:

• Насосные агрегаты для подачи питьевой и хозяйственной воды. Комплектация частотными преобразователями обеспечивает оптимальный режим полива и водоснабжения. ЧП используют как в промышленных, так и в бытовых сетях. Для бытовых насосов многие производители выпускают однофазные преобразователи.
• Циркуляционные насосы систем охлаждения и отопления. Преобразователи частоты в этих системах осуществляют регулирование подачи теплоносителей по температуре, давлению, расходу и обеспечивают отвод или подачу тепла с минимальным расходом электроэнергии.
• Насосы для систем тушения пожаров. Частотные преобразователи поддерживают необходимую производительность сетевых насосов, обеспечивают запуск основных агрегатов при возгорании.
• Насосах, применяемых в других сферах. Электропривод с ЧП широко используется в насосах-дозаторах в химической промышленности, а также других областях.

Главные достоинства частотно-регулируемых приводов насосных агрегатов – снижение энергопотребления на 35 % и более, оптимизация параметров систем водоподачи, экономия воды, тепла.

К недостаткам использования частотного преобразователя для насоса обычно относят их высокую стоимость. За счет значительной экономии ресурсов и улучшения водоснабжения преобразователи частоты достаточно быстро окупают себя. Их внедрение дает хороший экономический и технический эффект.

VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум — 2016

ВНЕДРЕНИЕ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМОГО ПРИВОДА НА НАСОСНЫХ СТАНЦИЯХ

Черевков Г.И. 1 , Егоров А.Н. 1
1 Политехнический институт (филиал) ФГАОУ ВПО «СВФУ им. М.К. Аммосова» в г. Мирном

Работа в формате PDF
118.1 KB

Текст работы размещён без изображений и формул. Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Аннотация. В статье раскрывается понятие частотно-регулируемого привода. Целью является анализ изучения и применение ЧРП на насосных станциях. Даются определения ЧРП, ПЧ, приводятся преимущества и недостатки данного технического устройства.

Ключевые слова: частотно-регулируемый привод, преобразователь частоты, насосная станция.

Применение частотно-регулируемых приводов (ЧРП) на основе асинхронных короткозамкнутых электродвигателей и полупроводниковых преобразователей частоты – это одно из направлений в области энергосберегающих технологий последних лет. На данном этапе развития технологий становится все более актуально применение ЧРП, так как это снижает потребление электрической энергии, повышает степень автоматизации, увеличивается удобство эксплуатации оборудования и качество технологических процессов. Они используются в качестве приводов вспомогательных устройств, обслуживающих основное технологические оборудование и производственные процессы, в основном это вентиляторы и насосы. Частотно-регулируемый привод – система управления частотой вращения ротора асинхронного (синхронного) электродвигателя. Состоит из электродвигателя и частотного преобразователя.

Преобразователь частоты (ПЧ) – устройство, состоящее из инвертора (преобразователя, иногда с ШИМ), преобразующего постоянный ток в переменный требуемой частоты и амплитуды и выпрямителя (моста постоянного тока), преобразующего переменный ток промышленной частоты в постоянный. Преобразователи частоты применяются в:судовом электроприводе большой мощности, прокатных станах (синхронная работа клетей), высокооборотном приводе вакуумных турбомолекулярных насосов (до 100.000 об/мин.), конвейерных системах, резательных автоматах, автоматически открывающихся дверях, городском электротранспорте, особенно в троллейбусах. Наибольший экономический эффект даёт применение ЧРП в системах вентиляции, кондиционирования и водоснабжения [8].

Преобразователи частоты рекомендуют использовать совместно с опциональными устройствами (дополнительными). Опциональные устройства, в зависимости от их назначения, устанавливаются как в силовые цепи преобразователя, так и в цепи управления.

К устройствам, устанавливаемым в силовую цепь, относятся: реакторы переменного и постоянного тока, входные и выходные фильтры, тормозные резисторы. ПЧ имеет ряд встроенных защитных функций для работы с насосами – обнаружение утечек, защита от сухого хода и др. Их использование позволяет добиться увеличения надежности работы всей системы. Снижение риска порыва трубопроводной сети достигается за счёт автоматического поддержания давления в заданных пределах [6].

Внедрение ЧРП на насосные станции позволит существенно снизить потребляемую электроприводом электроэнергию. Также технико-экономические показатели ЧРП, такие как: плавный пуск насосов (отсутствие гидравлических ударов в трубопроводе, снижение напора), высокая надежность работы насосных агрегатов, автоматизация и диспетчерское управление, полная электрическая защита электродвигателя, и т.д., что в отдельных случаях имеет особое значение по отношению к прямой экономии. Частотно-регулируемый электропривод позволяет оптимизировать характеристики трубопроводной сети (давление, расход или температура) в соответствие с текущими требованиями, экономию тепла в системах горячего водоснабжения за счет снижения потерь и постоянной циркуляции воды, продлить ресурс теплофикационного и электротехнического оборудования, уменьшить затраты на ремонтные работы [4].

У ЧРП есть два свойства, которые определяют преимущества его использования: возможность регулирования в широких пределах скорости

двигателя и снижение пускового тока практически до номинального. Применение регулируемого электропривода позволяет получить экономию энергии от 35 до 65%. Одновременно экономится вода до 15% [2].

Сбережение энергии происходит путем устранения непроизводительных затрат в заслонах, дросселях и других регулирующих устройствах. При замене нерегулируемого привода, работающего в режиме периодических пусков/остановок, на регулируемый, исключаются потери на высокие пусковые токи за счет плавного пуска электродвигателя. Обороты электродвигателя могут плавно изменяться для обеспечения поддержания производительности насосного агрегата, требуемой в данный момент. Использование регулируемого электропривода в системах водоснабжения позволяет изменять производительность насосов в соответствии с графиком водоразбора, что в свою очередь позволяет получить значительную экономию электроэнергии и воды, уменьшить количество аварий из-за разрывов трубопровода [5].

Следующей отличительной чертой ПЧ является развитая система взаимодействия с другими устройствами автоматики и выполнение большого количества дополнительных функций. Кроме функции регулирования большинство современных ПЧ обеспечивают: комплексную электрическую защиту электродвигателей; управление работой по сигналам от внешних устройств автоматики; сигнализацию режимов работы и возникновения аварий; передачу данных по цифровому интерфейсу; управление работой нескольких двигателей (специальные серии ПЧ).

Главный недостаток специализированных ЧРП заключается в том, что они не генерируют сигнал аварии, при аварийном отключении электродвигателей, запитанных от преобразователя и о выводе их из автоматического режима. Выходные реле для сигнализации аварии каждого насоса попросту отсутствуют. Имеющиеся реле используются для управления коммутационными аппаратами, а по общему сигналу аварии нет возможности идентифицировать вышедший из строя насосный агрегат, кроме того данный сигнал снимается автоматически при переключении на другой насос [1].

Заключение. В условиях сложившейся ситуации энергодефицита следует уделять большее внимание мерам принудительного характера в отношении энергоснабжающих компаний в плане внедрения ЧРП и других энергосберегающих мероприятий. Выделение бюджетных средств для проведения энергетических обследований объектов ЖКХ и надзор за их проведением позволит более успешно проводить массовое внедрение энергосберегающих мероприятий [9-17]. Внедрение ЧРП, обычно, окупается в течение 2-5 лет, но в зависимости от задачи и мощности оборудования, сроки могут значительно колебаться в разные стороны.

Список литературы:

1. Барутсков И.Б., Вдовенко С.А., Цыганков Е.В. Гармонические искажения при работе преобразователей частоты // Главный энергетик, 06.2011, С.5-15
2. Беспалов В. Я. Перспективы создания отечественных электродвигателей нового поколения для частотно-регулируемого электропривода // АЭП-2004, Магнитогорск,14-17 сентября 2004 г., С.24-31
3. Виноградов А.Б., Сибирцев А.Н., Колодин И.Ю.: Автоматизация насосной станции с применением частотно-регулируемого электропривода // Силовая электроника №2’2006
4. Карелин В.Я., Минаев А.В. Насосы и насосные станции — Учебник. Издание второе, переработанное и дополненное — Стройиздат, 1986
5. Лезнов Б. С.Частотно-регулируемый электропривод насосных установок. — М.: Машиностроение, 2013. — 176 с., ил..
6. Лиходедов А.Д., Портнягин Н.Н. Применение модальных регуляторов в промышленных объектах водоснабжения // Природные ресурсы, их современное состояние, охрана, промысловое и техническое использование. II Всероссийская научно-практическая конференция (15-18 марта 2011 г.)/ Отв. за вып. Н.Г. Клочкова. – Петропавловск-Камчатский: КамчатГТУ, 2011. – 282 с., С. 47-53.
7. Лобачев П. В. Насосы и насосные станции. М.: Стройиздат. 1990
8. Коротко о частотно-регулируемом приводе [Электронный ресурс]; URL:http://energosberezhenie.ru/product_9.html
9. Саввинов П.В., Семёнов А.С. Модификация электроприводов насосов малой мощности на горных предприятиях // Современные наукоемкие технологии. 2014. № 5-1. С. 232.
10. Саввинов П.В., Семёнов А.С. Модификация электроприводов насосов малой мощности на горных предприятиях // В сборнике: Студенческий научный форум материалы VI Международной студенческой электронной научной конференции: электронный ресурс, 2014. URL: http://www.scienceforum.ru/2014/422/4147 (дата обращения: 03.03.2014).
11. Саввинов П.В., Семёнов А.С. Обзор вентильно-реактивных двигателей // Современные наукоемкие технологии. 2013. № 8-2. С. 342-344.
12. Саввинов П.В., Семёнов А.С. Обзор вентильно-реактивных двигателей // В сборнике: Студенческий научный форум Материалы V Международной студенческой электронной научной конференции: электронная научная конференция (электронный сборник). Российская Академия Естествознания, 2013. URL: http://www.scienceforum.ru/2013/210/2632 (дата обращения: 12.02.2013).
13. Семёнов А.С. Сравнение нефтяных насосов и их электроприводов // В сборнике: Студенческий научный форум — 2015 Электронное издание, 2015. URL: http://www.scienceforum.ru/2015/902/16183 (дата обращения: 08.03.2015).
14. Семёнов А.С. Применение системы электропривода с преобразователем частоты и автономным инвертором напряжения на проходческом комбайне // Технические науки — от теории к практике. 2013. № 18. С. 71-77.
15. Семёнов А.С. Перспективы внедрения вентильных электроприводов в горной промышленности // В сборнике: Научная дискуссия: вопросы технических наук материалы II Международной заочной научно-практической конференции. Международный центр науки и образования. 2012. С. 52-56.
16. Семёнов А.С., Саввинов П.В., Рушкин Е.И. Внедрение частотно-регулируемых электроприводов как метод энергосбережения на горных предприятиях // В сборнике: Достижения и перспективы естественных и технических наук Сборник материалов II Международной научно-практической конференции. Центр научного знания Логос. 2012. С. 60-63.
17. Семёнов А.С., Шипулин В.С. Электропривод – многофункциональное, высокопроизводительное, энергоэффективное устройство // В сборнике: Наука XXI века: новый подход материалы II молодежной международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, 28 сентября 2012 года, г. Санкт-Петербург. Науч.-изд. центр "Открытие". Петрозаводск, 2012. С. 63-65.