Экономим электроэнергию. Частотно-регулируемый привод

Экономия электроэнергии с помощью частотного преобразователя

• 14 ноября 2012 г. в 16:43
• 7498

Эффективность работы предприятий водоснабжения, отопления, городов и сельских районов может быть существенно повышена за счет автоматизации и внедрения частотно регулируемых электроприводов (ЧРП).

Экономия электроэнергии будет рассмотрена на примере насосного агрегата с ЧП.

При правильном выборе насосного агрегата его расходная характеристика и мощность электродвигателя рассчитаны на обеспечение необходимого давления в системе при максимальном потреблении воды, которое, как известно, приходится на утренние и вечерние часы. Отсюда мы имеем на оставшуюся часть времени избыточное давление в системе.

Регулировать расход можно при полной скорости двигателя, изменяя гидравлическое сопротивление тракта с помощью клапанов или заслонок, однако, дополнительное оборудование, необходимое в этом случае, часто оказывается ненадежным, трудно регулируемым и потребляющим много энергии.

Поэтому наиболее рациональным способом регулирования является снижение частоты вращения приводного двигателя насоса при сохранении неизменной характеристики нагрузки. Динамическое изменение оборотов двигателя становится возможным при использовании датчика давления (датчика обратной связи) и частотного преобразователя (ЧП).

На представленном графике изображены кривые зависимости расхода и энергопотребления. Но для лучшей наглядности можно рассмотреть график тока электродвигателя, на котором представлены кривые тока при использовании ЧРП и при регулировании заслонками (график1).

Они соответствуют кривым расхода воды потребителями в различные периоды времени (график 2).

Понимая, что в разное время суток расход воды, и как следствие — энергопотребление, различаются, мы можем рассчитать экономический эффект от применения ЧРП (см. таблицы).

Расчет эффективности от внедрения системы управления насосами на насосной станции «Сосновская»

Наименование Значение Размерность

Насосный агрегат
Тип насоса	К 80–50–200
Номинальный напор	50	М
Номинальная подача	50	М3/ч
Частота вращения	2840	Об./мин.
Потребляемая мощность	15	кВт
Мощность электродвигателя	15	кВт
Ном.ток эл/дв	30	А
Оценка экономии
Стоимость 1 кВт/час	2,28	руб.

Расчет окупаемости

Наименование Кол-во Ед. измерения

Экономия расчетная по сравнению с дросселированием	42	%
Потребление при дросселирование	360	кВт/ч
Экономия при частотном регулировании	151	кВт/ч
Срок окупаемости	0,83	лет
Стоимость шкафа управления с ЧП	120 000	руб.

Взяв данные на момент расчета кВт/ч = 2, 28 руб. и замерив величины энергопотребления с использованием ЧРП и при использовании дроссельной заслонки, мы получим экономию электроэнергии в 42 % при применении преобразователя по сравнению с регулированием заслонкой.

Таким образом, ЧП стоит 31700 руб., и окупается менее чем за 3 месяца, а система (шкаф управления) на основе частотного преобразователя ориентировочной стоимостью в 120 000 руб. окупается менее чем за год и далее работает только на экономию энергии и, как следствие — на экономию денежных средств предприятия.

Помимо прямой экономии мы получим:

• экономию электроэнергии до 60%;
• снижение расхода воды до 60% за счет стабилизации давления магистрали;
• уменьшение износа и увеличение срока службы технологического оборудования, исключение гидравлических ударов;
• снижение затрат на ремонт.

Для получения всех перечисленных плюсов от использования частотного преобразователя, необходимо правильно выбрать сам преобразователь. Для примера возьмем частотные преобразователи марки HYUNDAI.

Основными критериями выбора являются тип преобразователя частоты и его основные параметры — номинальный ток и мощность. Выбор типа преобразователя частоты зависит от требуемых параметров диапазона регулирования и точности регулирования количества оборотов двигателя.

Исходя из прочих функциональных возможностей — дополнительные протоколы связи, дополнительные входы и выходы – подбирается конкретная модель преобразователя.

Рекомендуемые модели для «насосно-вентиляторной» нагрузки: №50, №100, №700Е (векторное или векторное «бездатчиковое») и №300Р, №500Р (U/F-управление).

Этап первый. Выясняем характер нагрузки и технологический процесс. В нашем случае это насосная нагрузка. Исходя из требований к точности и диапазону регулирования, выбирается тип частотного преобразователя. Для нашего типа нагрузки наиболее подходят два типа управления: векторное без датчика и U/F-управление.

В таблице представлены варианты (типы) управления, использующиеся в частотных преобразователях.

Типы управления в частотных преобразователях

Параметры Векторное без датчика: №50,№100,№700Е U/F-управление (насос): №300Р, №500Р Полное векторное управление с датчиком 700V

Точность поддержания скорости вращения без датчика скорости	± 2-3% (режим U/F)± 0,2% (векторный режим)	± 2-3%	± 0,1% (векторный режим)
Точность поддержания скорости вращения с датчиком скорости	—	—	± 0,01% (импульсный датчик, векторный режим)
Диапазон регулирования	1:40 (при управлении U/F) 1:100 (при векторном управлении)	1:40	1:40 (при управлении U/F)1:100 (при векторном управлении) 1:1000 (с использованием импульсного датчика вращения)
Возможность управления моментом	Нет	Нет	Есть

Этап второй. После выбора типа частотного преобразователя, нам необходимо выбрать конкретный частотный преобразователь. Для этого необходимо определить выходную мощность и выходной ток частотного преобразователя.

Для стандартных асинхронных электродвигателей, которые работают с полной номинальной нагрузкой:

I ном эд ≤ Iчп

Р эд ≤ Рчп.

Для электродвигателей, которые работают с неполной номинальной нагрузкой и для электродвигателей с малыми значениями коэффициента мощности:

I раб эд ≤ Iчп,

где:

Р эд — номинальная мощность электродвигателя, кВт;

Рчп — мощность частотного преобразовател, кВт;

Iном эд — номинальная мощность электродвигателя,А

I раб эд — рабочая мощность электродвигателя, А

U эд — напряжение питания двигателя, В.

Пример. Выбор преобразователя частоты для консольного насоса К 80-50-200.

Тип электродвигателя — низковольтный трехфазный асинхронный, с короткозамкнутым ротором 5АИ 160S2.

Напряжение питания — 380 В.

Мощность — 15 кВт.

Потребляемый ток — 28,8 А.

Коэффициент мощности — 0,89.

В процессе работы насоса двигатель работает с полной номинальной нагрузкой.

Для группы «насосы» целесообразно применение простого векторного и U/F-управления. Нецелесообразно использование ЧП с полным векторным управлением датчиком.

Двигатель работает с полной номинальной нагрузкой, коэффициент мощности двигателя – в рамках стандартного ряда. Поэтому при выборе модели необходимо соблюсти два неравенства:

15 кВт ≤ Р чп

28,8 А ≤ I чп

Iчп = 300 Р — 29А

700 E — 32А

Таким образом, из линейки преобразователей HYUNDAI, на примере которых мы рассматривали использование ЧРП, наиболее подходящими для данной задачи будут модели №700Е и №300Р.

Г. А. ШУВАЛОВ, менеджер отдела автоматики ГК «Элком»

Источник: https://www.elec.ru/articles/ekonomiya-electroenergii-s-pomo/

Частотно-регулируемый привод на страже экономии электроэнергии

Экология потребления.Усадьба:Статья расскажет о том, как снизить расход электроэнергии уже установленного или еще только планируемого к установке скважинного насоса, объяснит, что такое частотно-регулируемый электропривод, назовет его основные характеристики, преимущества и сферы применения.

Чем больше благ появляется у нас в доме, тем большая нагрузка ложится на плечи энергосистемы. Как следствие, растут платежи за электроэнергию, и многие хозяева стараются любыми способами сократить эту статью расходов, прибегая к различным энергосберегающим технологиям.

Бытовая техника с классом энергопотребления не ниже «А», экономичные осветительные приборы и многое другое можно увидеть практически в каждом доме.

Однако для загородного жилья с автономным водоснабжением помимо названных способов можно предложить и еще один довольно выгодный метод энергосбережения.

Немалая часть электричества расходуется на перемещение воды и газов в таких устройствах как насосы, вентиляторы, компрессоры. Такое оборудование используют для работы системы теплоснабжения, снабжения питьевой водой (причем не только централизованного, но и индивидуального), функционирования канализации, промышленного перемещения жидкостей и газов.

В большинстве случаев энергия здесь расходуется нерационально. Обусловлено это тем, что потребление в этих системах неравномерно. Оно имеет пики с максимальной нагрузкой, занимающие очень малую часть от времени работы и редко превышающие пару часов за сутки. Именно на эти пики и рассчитано такое оборудование, как насос или нагнетатель.

В основном требуется не 100% подача жидкости или газа, а в районе 30–40% от максимально возможной нагрузки. Это легко увидеть на примере пиков водоразбора систем центрального питьевого водоснабжения: утренний и вечерний максимум противопоставлен ночному минимуму.

Однако насос продолжает все это время работать на полную мощность и потреблять 100% энергии.

На сегодняшний день уже существует решение этой проблемы — частотно-регулируемый электропривод (ЧРЭП), о нем будет рассказано ниже. 

Принципы регулирования потока жидкости без применения ЧРЭП

Для того чтобы оценить пользу от внедрения частотного регулирования, вспомним о повсеместно применяемых методах традиционного снижения подачи жидкости или газа. Для простоты примеры будем приводить на обычном водопроводе со стандартным насосом, оставив в стороне перемещение воздуха, нефти, газов и всевозможных промышленных жидкостей. К слову, принципы будут во многом схожи.

Одним из первых можно рассмотреть регулирование при помощи байпаса. Это обводная линия, представляющая собой ответвление от основного трубопровода, которая возвращает часть уже перекачанной насосом жидкости обратно на подачу того же насоса. Не смотря на возможность довольно точной подстройки системы под заданные параметры расхода воды, КПД у нее невероятно низкий.

Следующим в этом списке можно рассмотреть регулирование при помощи клапанов и прочих устройств, установленных за насосом и ограничивающих полезное сечение трубопровода. Этот вариант также можно рассматривать, как растрачивающий немалую часть электроэнергии впустую, так как созданный большой напор срезается этими устройствами до необходимого уровня.

Еще один вариант регулирования — периодическая работа насосов. Она предполагает включение оборудования лишь для наполнения резервуаров-аккумуляторов водой, после которого происходит автоматическая остановка. Из описанных выше он имеет, пожалуй, наилучший КПД, однако не лишен и недостатков:

• постоянные пуски/остановы снижают ресурс оборудования;
• существует риск гидроудара во время очередного запуска, который может вывести из строя трубопровод;
• неравномерное давление в сети.

Более надежный вариант — одновременная работа группы насосов. Этот метод предполагает включение резервного агрегата при увеличении водоразбора. Однако и он обладает кучей недостатков.

К примеру, при использовании насосов разной мощности и параметров работа всей системы будет нестабильна.

Да и стоимость такого метода регулирования достаточно велика, так как предполагает покупку не одной, а сразу нескольких единиц оборудования.

Принцип регулирования потока жидкости с применением ЧРЭП

Регулирование потока жидкости при помощи частотно-регулируемого электропривода призвано снизить процент впустую растраченной энергии во всех сферах где используются электродвигатели, а также имеет место переменная нагрузка.

В состав такого оборудования входит не только рабочий механизм насоса и электродвигатель. Здесь основную роль играет так называемый «частотник», он же преобразователь частоты.

Посредством установленных в сети датчиков он реагирует на все изменения и управляет подачей: на его выходе образуется заданное напряжение с определенной амплитудой, которое, в свою очередь, заставляет мотор и, соответственно, рабочий механизм насоса вращаться с определенной (замедленной) скоростью.

Так при увеличении расхода до пикового насос заработает с полной отдачей, но сразу же при снижении водоразбора — отреагирует снижением скорости вращения рабочего механизма. И, соответственно, сниженным потреблением энергии.

Следовательно, тот же объем жидкости, доставленный до нужного крана насосом с ЧРЭП, потребует меньше средств, чем израсходует аналогичная схема с постоянной скоростью вращения рабочего механизма оборудования. Это позволяет отказаться от таких малоэффективных методов регулирования как дросселирование или использование байпасов.

Применение ЧРЭП для скважинных насосов

Как уже упоминалось выше, в обычном загородном доме можно также применить технологию частотного регулирования. Есть возможность реализовать ее на системе горячего водоснабжения, отопления или на скважинном насосе. Последний вариант рассмотрим более подробно, так как именно там существует наиболее выраженная и понятная для обычного человека периодичность нагрузки:

• ночь — минимум, в рассматриваемой ситуации зачастую равный нулю;
• утро — максимум (умывание, душ, готовка завтрака и тому подобное);
• день — средняя (стирка, готовка, уборка);
• вечер — максимум (душ, ванна, приготовление пищи и так далее);
• ночь — очередной минимум.

Разделение, конечно, условное, однако обладатели загородного жилья иногда очень отчетливо ощущают пики, когда из-за снижения давления в сети вода из крана течет со слабым напором. Чего не наблюдается в другое время суток.

На сегодняшний день возможна не только покупка готового насоса с регулируемым приводом, но и дооснащение уже установленного преобразователем частоты. Последний при использовании совместно со скважинным погружным насосом должен обладать следующим набором функций:

1. Встроенный ПИД (иногда ПИ, но такие встречаются в продаже реже) регулятор.
2. Возможность оптимизации энергопотребления, позволяющая нормально снижать напряжение при незначительной нагрузке на привод.
3. Возможность повторного запуска привода после какого-либо сбоя или ошибки автоматики без участия человека.
4. Защита двигателя от перегрузки.
5. Защита двигателя от перегрева.
6. Защита от короткого замыкания.
7. Защита насоса от сухого хода, т. е. от работы без воды при падении уровня в скважине ниже всасывающего патрубка. Перекачиваемая жидкость является для агрегата охлаждением и смазкой, поэтому ее отсутствие в работающем насосе приводит к перегреву и быстрому выходу из строя.
8. «Спящий» режим при использовании преобразователя совместно с насосом, имеющим ограничение на работу при очень низких скоростях.
9. Архив аварий. Эта опция незаменима при уточнении особенностей работы устройства в конкретных обстоятельствах при неоднократных (периодических) выходах из строя.
10. Скалярное (вольт-герцовое U/f) или векторное управление для более точной подстройки привода, обеспечивающей нормальную плавную (без рывков) работу механизма.

Что касается выбора оборудования, то можно выделить следующие моменты:

1. При выборе «частотника» следует большее внимание уделять не мощности, а номинальному току, причем должен предусматриваться некоторый запас. Обусловлено это тем, что у погружных электродвигателей номинальный ток несколько выше, нежели у стандартных моделей моторов.
2. Перегрузочная способность устанавливаемого «частотника» должна быть достаточно большой (свыше 120%), в противном случае этот недостаток необходимо компенсировать мощностью двигателя, которая будет несколько повышена.
3. В тех случаях, когда преобразователь планируется разместить в неотапливаемом помещении, он должен иметь подходящий рабочий диапазон температур и соответствующий класс защиты.

Помимо основного оборудования следует обратить внимание и на кабель — он должен быть большого сечения для того, чтобы предотвратить потерю напряжения по длине.

В качестве дополнительной защиты можно установить моторный дроссель, он дополнительно защитит от больших утечек тока и от срабатывания защиты от перегрузки.

Перед инвертором (преобразователем) можно также установить сетевой дроссель, он, в свою очередь, избавит от неполадок при работе от распределительного трансформатора.

Преимущества ЧРЭП помимо экономии энергии

Помимо экономии электроэнергии оснащение насосов регулируемым электроприводом имеет и другие положительные стороны.

Во-первых, значительно, практически вдвое, увеличивается ресурс оборудования, так как снижается количество пусков и остановов.

Во-вторых, можно существенно уменьшить емкость бака-аккумулятора, так как при увеличении расхода насос автоматически начинает работать с большей отдачей. Для того чтобы любой максимум потребления не привел к снижению давления в сети, к установке можно предусматривать и насос с заведомо большей мощностью — расход электроэнергии вырастет незначительно.

Еще один положительный фактор — плавные пуски и остановы, которые сводят на нет вероятность возникновения гидроудара в сети. Как следствие, не только оборудование, но и сам водопровод прослужит дольше обычного.

Фирмы производители и срок окупаемости

На рынке представлены различные производители частотно-регулируемых приводов. Можно увидеть разнообразие продукции именитых фирм мирового класса типа АВВ и SIMENS, и образцы отечественного производства. Стоимость у именитых брендов будет соответствующая, а вот что касается качества, то его вполне реально встретить и у российских фирм.

Что касается сроков окупаемости, то в каждом случае он будет рассчитываться индивидуально. Обычно средства полностью покрываются экономией за срок от полугода до двух лет, но могут быть единичные исключения.

Можно выделить следующую закономерность — чем больше мощность у насоса, тем дороже он будет стоить, соответственно, и частотно регулируемый электропривод к нему будет дороже менее мощного аналога. Но такой насос и электроэнергии потребляет больше — следовательно, экономия при использовании «частотника» будет более значительна и он окупит себя раньше.

Еще один факт: установка частотно-регулируемого электропривода оправдает себя раньше в сети, у которой неравномерность работы более выражена, а пики (максимальная нагрузка) происходят редко и кратковременны.

В заключение хочется отметить, что хорошо было бы применять такой способ регулирования не только в домашних условиях. Для многих предприятий это мероприятие по энергосбережению помогло бы снизить энергоемкость производства продукции. Коммунальное хозяйство тратило бы меньше средств на транспортировку воды в системах отопления и водоснабжения.

К тому же, технология частотного регулирования применима не только на насосах.

Она с успехом может использоваться в любых сферах, где применяются электродвигатели: лифты, подъемники, любые гидравлические составляющие механизмов и прочие.

Переходя на рациональное расходование электроэнергии, мы снижаем нагрузку на ТЭЦ и АЭС, что в конечном итоге положительно сказывается не только на материальном состоянии государства, но и на экологии региона. опубликовано econet.ru 

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление – мы вместе изменяем мир! © econet

Источник: https://econet.ru/articles/160505-chastotno-reguliruemyy-privod-na-strazhe-ekonomii-elektroenergii

Экономический эффект от применения частотных преобразователей

Чтобы определить экономию электроэнергии преобразователя частоты на производственных объектах пользуются такими факторами:

• а) экономия электрической энергии 20%;
• б) уменьшение затрат на текущий ремонт, управления и обслуживания;
• в) повышение срока службы электромотора;
• г) уменьшение размера тока запуска мотора номинальной нагрузкой и отсутствие негативного влияния на питающую сеть;
• д) мягкий запуск двигателя обуславливает исключение или значительное уменьшение действий датчика динамики на производство.

Приведем расчет простого типа вычисления времени эффекта (срок окупаемости) частотного преобразователя:

Расшифруем эту формулу.

Токупаемости – срок окупаемости;

Спреобр – цена преобразователя управления частоты;

Сэлек – цена электрической энергии;

λ — коэффициент, по параметрам факторов б) ‑ г).

Опытным путем использования преобразователей частоты выяснили, что размер коэффициента λ зависит от постоянных параметров находится в интервале от 1,2 до 1,6.

Время окупаемости рассчитывается по формуле 1 для преобразователя на 45 кВт.

Зная имеющийся интервал нагруженности, среднюю экономию электрической энергии берем 20%. На входе датчика частотного преобразователя присоединен выпрямитель сети без регулировки, механизм управления расходует энергию.

Энергия реактивного типа нужна эксплуатации электромотора асинхронного типа, производится и обращается внутри механизма привода между емкостью накопления выпрямителя сети в векторном управлении и катушками двигателя посредством частотника.

Реактивная энергия без считывающего датчика устройства.

Подсчитаем экономию электроэнергии B в среднем за месяц (учитывая суточную эксплуатацию двигателя и 30 дней).

B  = 720 часов х 45 (мощность) кВт х 20 % = 6 480 (мощность) кВт х час

Определим цену электрической энергии, которая сэкономлена – 2,95 рублей/кВт х час

Cэлек = 6480 кВт*час*2,95рублей/кВт*час = 19116 рублей.

Берем размер коэффициента λ за 1,2. Подсчитаем время окупаемости общезаводского частотного преобразователя А300 – 45 кВт, цена которого 78800 рублей:

Экономическое обоснование эффективности внедрения частотного преобразователя

Разберемся, действительно ли частотники могут экономить энергию? В этой теме есть подводные камни, какого типа нужно выбирать частотник при покупке. Инвертор (частотник) – это сложное электронное устройство. Принципиальную схему и суть работы в векторном управлении частотного преобразователя можно увидеть в сети Интернета.

Для управляемости электромотором с определенной скоростью вращения, сигнал электрического тока преобразуется несколько раз. Всякое преобразование управления является энергетической потерей.

При расчетной нормальной мощности электродвигатель вместе с преобразователем частоты расходуют больше электрической энергии, чем просто электромотор вместе с пускателем.

Это похоже на закон сохранения энергии.

Сэкономить на работе преобразователя (инвертора) можно, если электромотор нагружать до 70%. При нормальном расчете мощность электродвигателя и расходование электрической энергии с преобразователем частоты повышается в 1,5 раза.

Тогда появляются выводы:

Такие исследования были проведены на реальном оборудовании механизмов привода моторов. Поэтому, есть такое утверждение, что частотники (инверторы) реально не дают нужного эффекта, их целесообразно применять в ограниченных условиях.

Экономия электроэнергии с помощью частотного преобразователя

Работа производственных учреждений различных отраслей (сельского хозяйства, городов, отопления, снабжения водой) может быть намного эффективнее при применении процесса автоматизации, использования в техпроцессах приводов и механизмов с регулятором на основе инверторов (частотников). Это можно увидеть, рассмотрев пример с агрегатом насоса на преобразователе частоты.

Если правильно выбрать агрегат, то мощность электродвигателя и расход обеспечивает нужное давление в отопительной системе, водоснабжения при наибольшем использовании воды. Это происходит утром и вечером. В другое время давление с избытком.

Расход воды регулируется на большой скорости мотора, но оборудование ненадежное и расходует много энергии. Лучшим методом для этого служит уменьшение оборотов мотора насоса при такой же нагрузке, применение датчика и частотника.

Вот график зависимости потребления электрической энергии от расхода:

На этой зависимости видно потребление воды за интервалы часов:

В разные часы потребление энергии и расход воды отличаются. Поэтому, очевиден эффект экономии при использовании преобразователей частоты. В результате смысл использования частотника очевиден.

Использование преобразователя частоты вместо дросселирования

Источник: http://chistotnik.ru/preobrazovatel-chastoty-ekonomiya-elektroenergii.html

Энергетические обследования.Способ снизить потребление энергии

Рис. 1. Двигатели промышленного назначения от АББ

Внедрение энергоэффективного оборудования на промышленных предприятиях повышает эффективность и конкурентоспособность российского производства, а также снижает негативное воздействие на окружающую среду.

Высокотехнологичные разработки АББ, такие как двигатели с высоким классом энергоэффективности, устройства плавного пуска и преобразователи частоты, сокращают потребление энергии и повышают срок службы оборудования (рис. 1). Около 70% всей электрической мощности в промышленности используется миллионами электрических двигателей, 75% из которых управляют центробежными механизмами.

Для компании АББ это означает огромный потенциал по снижению энергопотребления при замене оборудования на энергоэффективное и оптимизации способа управления электродвигателями.

Выбросы углекислого газа — важный показатель, на который в РФ на данный момент мало кто обращает внимание. Однако следует отметить, что именно этот показатель определяет экологичное производство, или, другими словами, его влияние на окружающую среду. Чем ниже выбросы CO2, тем меньше углеводородов потребуется для производства электроэнергии.

Снижение выбросов СО2 и более эффективное использование энергии

На данный момент 63% энергии генерируется тепловыми и газовыми электростанциями. Это означает постоянное сжигание угля или газа. В результате такого процесса в атмосферу выбрасывается значительное количество углекислого газа и метана. Первый шаг от «угольной» и «газовой» энергии к увеличению доли «зеленой» энергии — начать использовать и производить энергию более эффективно.

Потенциал экономии электроэнергии существенен в таких отраслях, как водоснабжение и водоотведение, теплоэнергетика, в различных областях пищевой промышленности, на нефтеперерабатывающих заводах и при добыче нефти.

Повсюду огромную роль играют центробежные механизмы — насосы, вентиляторы, компрессоры, воздуходувки. Принцип работы таких механизмов позволяет получить существенную экономию энергии при изменении скорости двигателя в некотором диапазоне.

Наибольшего эффекта можно добиться при оптимизации работы мощных центробежных механизмов, функционирующих в течение большей части года. Применение частотного регулирования позволяет сократить потребление энергии на 30–50%. Для центробежных механизмов применимы так называемые законы подобия.

В соответствии с данными законами, между скоростью и потребляемой мощностью существует кубическая зависимость, то есть при снижении номинальной скорости на 50% энергии требуется только 12,5%.

Оценить эффект от применения частотного регулирования можно на примере одного двигателя мощностью 55 кВт. При номинальной мощности 55 кВт и непрерывной работе на протяжении одного года двигатель потребляет 403 200 кВт·ч.

Частотное регулирование позволяет снизить этот показатель в среднем на 40%, что составляет 161 280 кВт·ч.

Таким образом, при средней стоимости электроэнергии 3 руб/кВт·ч расходы на электроэнергию в год сократятся на 483 840 рублей, а выбросы СО2 снизятся на 80 640 кг.

Кроме того, следует не забывать о таком понятии, как жизненный цикл изделия, и именно по стоимости этого цикла оценивать целесообразность приобретения оборудования. Около 90% стоимости жизненного цикла двигателя составляют затраты на электроэнергию и только 10% — его приобретение, установка и обслуживание.

Другими словами, если предприятие задумывается о замене двигателя, который будет работать непрерывно в течение 20–25 лет как минимум, следует предварительно оценить выгоду в экономии электроэнергии от двигателя с высоким классом энергоэффективности, или высоким КПД, по сравнению с более дешевым, но менее энергоэффективным двигателем.

Промышленные предприятия могут самостоятельно оценить потенциал энергосбережения, воспользовавшись программами компании АББ — Motor Optimizer и «Калькулятором экономии энергии».

Снижение потребления энергии и оптимизация системы управления двигателем

Энергетическое обследование является бесплатной услугой и позволяет оценить потенциал экономии энергии на предприятии при замене устаревших двигателей и модернизации системы управления.

Цели энергетического обследования:

• возможность минимизации энерго­потребления предприятия;
• выявление оборудования, нуждающегося в модернизации;
• оптимизация способов управления механизмами с электрическими двигателями;
• оптимизация работы установленных частотных преобразователей.

Основные объекты энергетического обследования:

• насосные системы, системы промышленной вентиляции и охлаждения, тягодутьевые механизмы, системы сжатого воздуха и воздуходувные установки, системы ОВиК;
• электрические двигатели, работающие с мощностью менее 50% от номинальной и/или имеющие более 20% времени эксплуатации в год.

После проведенного обследования предоставляется отчет с рекомендациями по необходимой замене оборудования, сроками окупаемости, требуемыми начальными инвестициями и потенциалом энергосбережения при оптимизации системы управления как каждого технологического процесса, так и всего предприятия.

Важным показателем при расчете срока окупаемости оборудования является такой показатель, как чистая приведенная стоимость. Чистая приведенная стоимость рассчитывается за период более 10 лет с учетом ежегодного уровня инфляции.

В расчетах компании АББ принимается, что счета за электроэнергию оплачиваются в конце каждого года.

Следует отметить, что энергетические обследования проводятся при непосредственном участии инженерных и энергетических служб предприятия.

Для примера рассмотрим замену двухскоростного двигателя на вентиляторе в цехе производства аммиака нефтехимического предприятия России.

Тип установленного электродвигателя — двухскоростной двигатель 5АМ250 М8/4 У3:

• мощность — 37/55 кВт;
• напряжение двигателя — 0,4 кВ;
• ток статора электродвигателя — 82,1/102 А;
• частота вращения двигателя — 1500 об/мин;
• КПД — 91%.

Режим работы установки:

• число часов работы в году — 8 760 ч;
• типовой цикл работы — ПИД-регулирование.

Компанией АББ предлагается замена двухскоростного управления на частотное,  при этом обмотки двигателя для регулирования скорости не используются.

Необходимо обратить внимание, что при расчете потенциала экономии энергии компания АББ использует эмпирические поправочные коэффициенты, полученные при тестировании различных режимов работы воздуходувного механизма. Эти коэффициенты являются интеллектуальной собственностью АББ и с целью сохранения авторских прав в расчете ниже приведены частично.

Номинальный расход вентилятора рассчитывается на основе коэффициента сжимаемости и мощности двигателя. Плотность газа зависит от температуры в помещении и влияет на требуемую мощность двигателя.

Коэффициент сжимаемости:

kp = 1 — (0,0035 × ptF × nk/pta) = 1 — (0,0035 × 1500 × 90/101300) = 0,995~1,

где абсолютное статическое давление во всасывающей секции pta = 101 300 Па при 0 °C.

Мощность двигателя:

Pf = kp × D/1,2 × QVn × ptF × 10/(nk × nt) = 1 × 1,2/1,2 × 83,33 × 1500 × 10/(90 × 95) = 146,19 кВт.

Таким образом, получаем номинальный расход вентилятора:

QVn = Pf / (kp × D/1,2 × ptF × 10/(nk × nt)) = 40/(1500 × 10/(90 × 95)) = 22,8 м3/с.

Следующий шаг — расчет мощности при заданном типовом цикле работе, в данном случае замене двухскоростного управления на ПИД-регулирование. Оборудование функционирует непрерывно на протяжении всего года. При ПИД-регулировании требуется учитывать изменение мощности при снижении загрузки ниже 100%.

Мощность при использовании частотного регулирования, номинальный расход 100%:

PVSD = kp × D/1,2 × QVn × ptF × 100 000/(nk × nt × nm × nd) = 1 × 1,2/1,2 × 22,8 × 1500 × 100 000 / (90 × 95 × 91 × 97) = 45 кВт.

Мощность при использовании двухскоростного двигателя, номинальный расход 100%:

PNOVSD = kp × D/1,2 × QVn × ptF × 1000/(nk × nt × nm) = 1 × 1,2 / 1,2 × 22,8 × 1500 × 1000/ (90×95×93) = 44 кВт.

Мощность при использовании двухскоростного двигателя, 50% от номинального расхода, пониженная скорость:

PNOVSD50% = 1 × 0,8 × 37 = 29,6 кВт.

Рассчитаем энергию, потребляемую центробежным механизмом за год.

При частотном регулировании:

EVSD = PVSD20-90% × time [%]/100 × Tk = 8 193 кВт·ч.

При двухскоростном двигателе:

ENOVSD = PNOVSD50-100% × time[%]/100 × Tk = 132 552 кВт·ч.

Экономия энергии:

DE = ENOVSD — EVSD = 132 552 — 8 193 = 124 359 кВт·ч.

Теперь рассчитаем экономию энергии и срок окупаемости оборудования.

Стоимость электроэнергии за год при использовании частотного регулирования:

ECVSD = EVSD × EP = 8193 × 3 = 24 579 руб.,

где EP — стоимость электроэнергии (руб.).

Стоимость электроэнергии за год при использовании управления двухскоростным двигателем:

ECNOVSD = ENOVSD × EP = 132552 × 3 = 397 655 руб.,

Экономия на стоимости электроэнергии:

DEC = ECNOVSD — ECVSD = 397 655 — 24 579 = 373 076 руб. (табл. 1).

Таблица 1. Экономия на стоимости электроэнергии и снижение СО2 за счет установки привода

В год	За 10 лет
Экономия энергии, МВт	124,3	1 243
Снижение СО2, т	186 538	1 865 380
Экономия, руб.	373 076	3 730 760

Рис. 2. Расчетная нагрузочная диаграмма

Инвестиции на установку частотного преобразователя составят 195 000 руб., таким образом срок окупаемости:

Payback time = 195 000/DEC = 6 месяцев.

Замена двигателя в данном случае нецелесообразна с точки зрения снижения потребления электроэнергии, поскольку КПД установленного электродвигателя составляет 91%.

Кроме того, предполагается изменение рабочей скорости двигателя в некотором диапазоне при неполной нагрузке на валу. Следовательно, реальный КПД двигателя будет значительно ниже.

Расчетная нагрузочная диаграмма приведена на рис. 2, описание технологического процесса и экономические данные — в таблицах 2 и 3.

Таблица 2. Описание технологического процесса

Количество, шт.	1
Тип техпроцесса	Вентилятор
Мощность двигателя, кВт	56
Расчетная мощность, кВт	40
Существующий способ управления	Двухскоростной двигатель
Напряжение питания, В	380 (3 фазы)
Синхронная скорость двигателя, об/мин	1500
Возраст двигателя, лет	0–9
Кол-во перемоток	0
КПД установленного двигателя, %	91
Кол-во часов работы в год, ч	8 760

Таблица 3. Экономические данные

Затраты на внедрение единицы продукции, руб.	195 000
Уровень инфляции, %	11
Стоимость электроэнергии, руб/кВт•ч	3
Ежегодное увеличение стоимости электроэнергии, %	0

Предлагаемый вариант оптимизации: частотный преобразователь промышленной серии ACS880-01-105A-3+E200+P940 мощностью 55 кВт и степенью защиты IP20 взамен старого способа управления (рис. 3).

Рис. 3. Промышленный частотный привод переменного тока

Преобразователь частоты ACS880 со степенью защиты IP20 для установки в шкафу. Для защиты преобразователя в шкафу необходимо предусмотреть установку быстродействующих предохранителей типа aR или автоматов с расцепителем.

Для соответствия стандартам по ЭМС в частотном преобразователе установлен электромагнитный фильтр класса С3.

При использовании частотного управления следует оценивать именно суммарный КПД системы «частотный преобразователь — двигатель». Частотный преобразователь — это само по себе двойное преобразование электроэнергии, поэтому КПД системы будет ниже, чем КПД асинхронного двигателя при прямом подключении к сети.

С другой стороны, такой показатель, как коэффициент мощности системы, характеризующий потребление реактивной мощности и нелинейности сети, становится равным коэффициенту мощности частотного преобразователя.

Соотношение изменения КПД системы и коэффициента мощности следует принимать во внимание при оценке эффекта энергосбережения и прогнозировании окупаемости оборудования.

Источник: https://controlengrussia.com/e-lektroprivod/abb_electric_drive/

Технико-экономическое обоснование внедрения систем управления с частотно-регулируемым электроприводом

В.А. Ченчик (ООО «Русэлком М»).

в журнале Химическая техника №3/2015

Определение экономической эффективности, которую можно получить от внедрения преобразователей частоты (ПЧ), является актуальной проблемой. Потребителю хотелось бы до приобретения ПЧ иметь гарантии, что средства будут израсходованы не зря: общие утверждения о том, что экономия электроэнергии составит 30–80%, требуют подтверждения.

К сожалению, универсальной методики на все случаи применения ПЧ нет и быть не может, так как экономический эффект зависит от многих факторов, характерных для конкретной установки.

Однако существует большое количество типовых решений, применяемых в народном хозяйстве, например, для системы отопления и горячего и водоснабжения на центральных тепловых пунктах (ЦТП).

Московским энергетическим институтом (МЭИ) разработана методика оценки экономической эффективности применения частотного электропривода в системах водоснабжения зданий, разработана «Инструкция по расчету экономической эффективности применения частотно-регулируемого электропривода», согласованная с Главгосэнергонадзором и утвержденная Минтопэнерго.

Теоретические вопросы экономии электроэнергии достаточно хорошо отражены в литературе [1–4].

Даже среди специалистов тепловодоснабжения существует распространенное, но ошибочное мнение, что применение частотного регулирования при правильно подобранных характеристиках насоса никакой экономии электроэнергии дать не может.

Да, такое возможно: при неправильной выбранной величине уставки давления для преобразователей частоты суммарное потребление электроэнергии насосом с ПЧ может не дать экономию.

Очень важно, чтобы величина уставки давления соответствовала минимальному напору при максимальном расходе.

Если поставить датчик давления непосредственно у потребителя, то при уменьшении расхода автоматически снижается необходимый напор, т.е. заданный параметр регулирования для ПЧ будет формироваться Q–H характеристикой сети.

Для оценки экономической эффективности от применения преобразователей частоты в любом случае необходимо организовать установку приборов учета электрической энергии и произвести замеры электропотребления до установки ПЧ и после его установки. Кроме установки ПЧ нужно провести все необходимые регулировки и настройки в работе системы.

Наибольший экономический эффект от внедрения частотно-регулируемого привода с точки зрения энергосберегающих мероприятий достигается на квадратичных нагрузках (центробежные насосы, вентиляторы) в случае замены дросселирования частотным регулированием.

Как известно, число оборотов двигателя пропорционально частоте его питания. При питании электродвигателя от сети (50 Гц) число его оборотов будет максимальным и неизменным. При питании электродвигателя от преобразователя частоты

(регулируемая выходная частота 0…50 Гц) число его оборотов будет изменяться от нуля до максимального значения.

Изменение частоты вращения рабочего колеса ведет к изменению всех его рабочих параметров: расхода (пропорционален числу оборотов); давления (пропорционально квадрату числа оборотов); потребляемой мощности (пропорциональна кубу числа оборотов).

Эти отношения выражаются с помощью так называемых формул приведения:

где Q, Q0 – расход соответственно при максимальном и измененном числе оборотов; H, H0 – напор соответственно при максимальном и измененном числе оборотов; N, N0 – мощность, потребляемая электродвигателем соответственно при максимальном и измененном числе оборотов; n, n0 – соответственно максимальное и измененное число оборотов.

Типичная характеристика энергопотребления при разных способах регулирования приведена на рис. 1.

Рис. 1. Потребление мощности при различных способах регулирования частоты вращения насосов

Кроме того, применение преобразователей частоты позволяет снизить потребление реактивной мощности, пусковые токи и гидроудары, что положительно сказывается на сроках службы технологического оборудования и энергетической инфраструктуры.

Приведем пример. Насосная станция по подачи воды состоит из трех насосов. Регулирование производительности насосов осуществляется путем закрывания задвижки на выходе насоса – методом дросселирования.

Контроль давления на выходе насоса осуществляется оператором визуально по манометру с определенным интервалом времени. В работе всегда находится один насос. Ротация насосов также осуществляется оператором вручную.

Параметры насосных агрегатов:

Насос	Н1	Н2	Н3
Производительность, м3/ч	1250	1250	1250
Электродвигатель	АЛП 104-4	АЛП 104-4	АЛП 104-4
Мощность, кВт	250	250	250
Сила тока, А	436	436	436
Частота вращения, об/мин	1480	1480	1480

Предпосылками для модернизации могут служить следующие факторы:

• регулирование производительности методом дросселирования не эффективно с точки зрения энергосбережения;
• частые запуски напрямую от сети насосных агрегатов приводят к повышенному изнашиванию оборудования из-за 7–10-кратных пусковых токов;
• работа в прерывистом режиме обусловливает большие динамические потери в трубопроводах;
• неконтролируемое потребление энергоносителя.

Для устранения указанных проблем рекомендуется: установить преобразователь частоты на приводы насосов по следующему принципу: один преобразователь частоты в составе станции управления группой насосов СУЧЭ-3-250 с возможностью переключения его между насосами, а также датчик давления в магистрали.

Внедрение предложенного решения приведет к снижению энергопотребления за счет уменьшения частоты вращения электродвигателей насосных агрегатов, увеличению срока службы насосных агрегатов в результате исключения прерывистого режима работы насоса (исключение гидроударов и пусковых токов); повышению степени автоматизации технологического процесса и уменьшению потребления энергоносителя.

Суммарный экономический эффект от внедрения предложенных решений будет определяться снижением затрат на потребленную электроэнергию; уменьшением амортизационных отчислений на технологическое оборудование а также затрат на сервис технологического оборудования (увеличение межремонтного ресурса); снижением затрат на персонал за счет повышения уровня автоматизации.

Расчет снижения энергозатрат

В работе принимает участие один насос производительностью Qсеть = 1250 м3/ч. Проанализировав данные оператора по расходу за месяц, определяем, что средний расход составляет Qпотр = 625 м3/ч.

Таким образом, фактически необходимый расход можно создавать не путем закрывания задвижки (дросселированием), а с помощью преобразователя частоты, снижая частоту вращения электродвигателя и тем самым снижая энергопотребление.

Определим энергопотребление электродвигателей при регулировании расхода методом дросселирования.

Мощность насоса 250 кВт, но учитывая, что при дросселировании также снижается энергопотребление (см. рис. 1), находим, что для точки кривой, соответствующей данной насосной системе, энергопотребление при дросселировании будет снижено на ~25 % и соответственно потребляемая мощность электродвигателя Nд = 0,75×250 = = 187,5 кВт.

Определим энергопотребление электродвигателя при регулировании расхода с помощью преобразователя частоты:

Разница в энергопотреблении между способом регулирования расхода путем закрывания задвижки и способом снижения частоты вращения электродвигателя с помощью преобразователя частоты: Δ N = Nд – N0 = 156,25 кВт.

Фактически Δ N – это напрасно потребляемая мощность, которую можно было бы сэкономить, используя преобразователь частоты.

Оценка технологического эффекта

При внедрении частотного регулирования в связи с уменьшением рабочей частоты вращения вала привода снижается износ насоса.

В связи с плавными пусками и остановами уменьшаются гидравлические и механические нагрузки на технологическое оборудование (трубопроводы, запорную и регулирующую арматуру). Все перечисленное обусловливает увеличение сроков службы и межремонтного ресурса.

То же можно сказать и про нагрузки на питающую сеть в связи с исключением пусковых токов при пусках электродвигателей насосов напрямую от сети.

Рис. 2. Силовая схема подключения трехнасосной станции

Ориентировочно срок службы насосного агрегата с электродвигателем увеличивается на 10%, при этом затраты на обслуживание уменьшаются на 10%.

Таким образом, высокая инвестиционная привлекательность внедрения станций управления, оснащенных преобразователями частоты, устройствами плавного пуска, а также объединения станций управления в единую систему АСУ ТП основана на следующих факторах:

• прямой экономии от снижения потребления электроэнергии при регулировании производительности насосных агрегатов (для разных объектов от 25 до 50%);
• прямой экономии за счет снижения непроизводительных утечек воды при оптимизации давления в напорном трубопроводе (не менее 25–30 % общего объема утечек);
• экономии фонда заработной платы сокращаемого дежурного персонала;
• резком снижении аварийности на сетях (не менее чем в 5–10 раз);
• увеличении не менее чем в 3 раза ресурса и межремонтных сроков насосов, электродвигателей, коммутационного оборудования;
• снижении затрат на электрическое отопление на объектах, бытовое обеспечение дежурного персонала;
• значительном увеличении надежности системы в целом благодаря устранению «человеческого фактора» и автоматической диагностике системой всех ее элементов и своевременном устранении возможных аварийных ситуаций.

Для получения максимального эффекта экономии от применения ПЧ необходимо предварительно провести обследование и изучение сети. Сейчас это сделать достаточно просто – есть переносные ультразвуковые расходомеры, позволяющие быстро и точно определить фактические характеристики сети и насосного агрегата.

Все здесь сказанное относится к работе сетей с правильным подбором насосов. Как правило, насосы для сети подбираются с «запасом», запас при применении ПЧ не теряется, при нештатном увеличении расхода ПЧ с таким насосом обеспечит и нештатный режим.

Немаловажными факторами являются также следующие:

• социальный (повышение качества водоснабжения и экономия расходов на ремонт оборудования);
• экологический (снижение потребления электроэнергии обеспечивает снижение выброса СО2). Нормативно-технической базой для обоснования экономической эффективности являются следующие документы:
• Инструкция по расчету экономической эффективности применения частотно-регулируемого электропривода. Министерство топлива и энергетики РФ; 1997.
• ВРД 39-1.10-052–2001. Методические указания по выбору и применению асинхронного частотно-регулируемого привода мощностью до 500 кВт. ОАО «Газпром» (Управление энергетики). 2001.
• ГОСТ 13109–97. Совместимость технических средств электромагнитная. «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения».

Общие принципы расчета экономической эффективности

Документ должен содержать следующие разделы: исходные данные для расчета; расчет экономической эффективности системы; результаты расчета.

В разделе «Исходные данные для расчета» должны быть приведены: ссылка на методику определения экономической эффективности; перечень факторов, обусловливающих повышение эффективности функционирования объекта управления при создании СУ (станция управления); исходные данные, необходимые для расчета согласно принятой методике; ссылка на источники получения исходных данных.

В разделе «Расчет экономической эффективности системы» должны содержаться следующие данные: расчет затрат на создание СУ; расчет затрат на содержание и эксплуатацию системы; расчет ожидаемой экономии по основным технико-экономическим показателям и ожидаемого годового экономического эффекта от внедрения СУ в целом; расчет срока окупаемости затрат.

В разделе «Результаты расчета» должны быть приведены основные результаты следующих расчетов: затрат на создание системы; затрат на содержание и эксплуатацию; ожидаемого годового экономического эффекта от создания системы; срока окупаемости затрат.

При оценке экономического эффекта от внедрения автоматизированных систем частотно-регулируемого привода необходимо использовать следующие данные: стоимость электроэнергии; затраты на сервисное обслуживание оборудования составляют ~3% стоимости, не считая командировочных расходов; срок службы оборудования (10 лет).

Список литературы

1. Технический паспорт «Станция управления частотно-регулируемым электроприводом насосных агрегатов типа СУ-ЧЭ-ПП». НПФ «Электро-РПС». 2002.
2. Шакарян Ю.Г. Инструкция по расчету экономической эффективности применения частотно-регулируемого электропривода, АО ВНИИЭ, МЭИ, М.1997 г.
3. ВРД 39-1.10-052–2001. Методические указания по выбору и применению асинхронного частотно-регулируемого привода мощностью до 500 кВт. М.: ОАО «Газпром», 1999.
4. ГОСТ 13109–97. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.

Источник: https://chemtech.ru/tehniko-jekonomicheskoe-obosnovanie-vnedrenija-sistem-upravlenija-s-chastotno-reguliruemym-jelektroprivodom/