Variabilní elektrický pohon jako prostředek úspory energie
Přechod z neregulovaného elektropohonu na regulovaný je jedním z hlavních způsobů úspory energie v elektropohonu a v technologické oblasti pomocí elektropohonu.
Potřeba řízení otáček nebo točivého momentu elektrických pohonů výrobních mechanismů je zpravidla dána požadavky technologického procesu. Například rychlost posuvu frézy určuje čistotu zpracování obrobku na soustruhu, snížení rychlosti výtahu je nutné pro přesné polohování kabiny před zastavením, nutnost nastavení točivého momentu navíjecí hřídele je diktována podmínky pro udržení konstantní síly tahu poraněného materiálu atd.
Existuje však řada mechanismů, které nevyžadují změnu otáček podle technologických podmínek, případně se k regulaci používají jiné (neelektrické) způsoby ovlivňování parametrů technologického procesu.
Především zahrnují kontinuální dopravní mechanismy pro pohyb pevných, kapalných a plynných produktů: dopravníky, ventilátory, ventilátory, čerpací jednotky. Pro tyto mechanismy se v současnosti zpravidla používají neregulované asynchronní elektrické pohony, které uvádějí pracovní tělesa do pohybu konstantní rychlostí bez ohledu na zatížení mechanismů. Při částečném zatížení se provozní režimy při konstantní rychlosti vyznačují zvýšenou měrná spotřeba energie oproti nominálnímu režimu.
Snížení výkonu NSC, účinnost dopravníku klesá, protože relativní podíl spotřebovaného výkonu překonává moment naprázdno. Ekonomičtější je režim s proměnnou rychlostí, který poskytuje stejný výkon, ale s konstantní složkou tažné síly.
Na Obr. 1 jsou znázorněny výkonové závislosti hřídele motoru pro dopravník s volnoběžným momentem Mx = 0, ЗМв pro konstantní (v — const) a nastavitelné (Fg = const) rychlosti pohybu břemen. Stínovaná oblast na obrázku představuje úspory energie získané regulací otáček.
Rýže. 1. Závislost výkonu hřídele elektromotoru na výkonu dopravníku
Pokud se tedy rychlost dopravníku sníží na 60 % jmenovité hodnoty, výkon hřídele motoru se sníží o 10 % oproti jmenovité hodnotě. Vliv regulace otáček je tím vyšší, čím větší je kroutící moment naprázdno, a tím výrazněji snižuje výkon dopravníku.
Snížení rychlosti kontinuálních transportních mechanismů s nedostatečným zatížením umožňuje provádět požadované množství práce s nižší měrnou spotřebou energie, tedy řešit ryze ekonomický problém snižování energetické náročnosti v technologickém procesu přesouvání výrobků.
Obvykle se se snížením rychlosti takových mechanismů dostavuje i ekonomický efekt v důsledku zlepšení provozních vlastností technologického zařízení. Takže při poklesu rychlosti se snižuje opotřebení tělesa dopravníku, zvyšuje se životnost potrubí a armatur v důsledku poklesu tlaku vyvinutého stroji pro dodávání kapalin a plynů a také se eliminuje nadměrná spotřeba těchto produktů.
Efekt v oblasti techniky se často ukazuje jako výrazně vyšší než v důsledku energetických úspor, proto je zásadně chybné rozhodovat o vhodnosti použití řízeného elektrického pohonu u takových mechanismů pouze z hlediska energetického.
Řízení rychlosti lopatových strojů.
Odstředivé mechanismy pro přívod kapalin a plynů (ventilátory, čerpadla, ventilátory, kompresory) jsou hlavní obecné průmyslové mechanismy s největším celorepublikovým potenciálem výrazně snížit měrnou spotřebu energie. Zvláštní postavení odstředivých mechanismů je vysvětleno jejich masivností, vysokým výkonem, zpravidla s dlouhým provozním režimem.
Tyto okolnosti určují významný podíl těchto mechanismů na energetické bilanci země.Celkový instalovaný výkon hnacích motorů čerpadel, ventilátorů a kompresorů je asi 20 % výkonu všech elektráren, přičemž samotné ventilátory spotřebují asi 10 % veškeré elektřiny vyrobené v zemi.
Provozní vlastnosti odstředivých mechanismů jsou prezentovány ve formě závislostí hlavy H na průtoku Q a výkonu P na průtoku Q. Ve stacionárním režimu provozu je hlava vytvořená odstředivým mechanismem vyvážena tlak hydro- nebo aerodynamické sítě, ve které dodává kapalinu nebo plyn.
Statická složka tlaku je určena pro čerpadla — geodetickým rozdílem mezi hladinami uživatele a čerpadla; pro fanoušky — přirozená přitažlivost; pro ventilátory a kompresory — z tlaku stlačeného plynu v síti (zásobníku).
Průsečík Q-H-charakteristiky čerpadla a sítě určuje parametry H-Hn a Q — Qn. Regulace průtoku Q čerpadla pracujícího s konstantní rychlostí se obvykle provádí ventilem na výstupu a vede ke změně charakteristiky sítě, v důsledku čehož průtok QA * <1 odpovídá průsečík s charakteristikou čerpadla.
Rýže. 2. Q-H-charakteristika čerpací jednotky
Analogicky s elektrickými obvody je regulace průtoku ventilem podobná řízení proudu zvýšením elektrického odporu obvodu. Je zřejmé, že tento způsob regulace není z energetického hlediska efektivní, neboť je doprovázen neproduktivními energetickými ztrátami v regulačních prvcích (rezistor, ventil). Ztráta ventilu je charakterizována stínovanou oblastí na obr. 1.
Stejně jako v elektrickém obvodu je ekonomičtější regulovat zdroj energie než jeho uživatele. V tomto případě dochází k poklesu zatěžovacího proudu v elektrických obvodech v důsledku poklesu napětí zdroje. V hydraulických a aerodynamických sítích se podobného efektu dosáhne snížením tlaku vytvářeného mechanismem, což se realizuje snížením rychlosti jeho oběžného kola.
Při změně otáček se mění provozní charakteristiky odstředivých mechanismů v souladu se zákony podobnosti, které mají tvar: Q * = ω *, H * = ω *2, P * = ω *3
Otáčky oběžného kola čerpadla, při kterých jeho charakteristika projde bodem A:
Výraz pro výkon spotřebovaný čerpadlem při regulaci otáček je:
Kvadratická závislost momentu na otáčkách je charakteristická především pro ventilátory, neboť statická složka hlavy určená přirozeným tahem je výrazně menší než Hx. V technické literatuře se někdy používá přibližná závislost momentu na rychlosti, která zohledňuje tuto vlastnost odstředivého mechanismu:
M* = ω *n
kde n = 2 při Hc = 0 a nHc> 0. Výpočty a experimenty ukazují, že n = 2 — 5 a jeho velké hodnoty jsou charakteristické pro kompresory pracující v síti s významným protitlakem.
Analýza provozních režimů čerpadla při konstantních a proměnných otáčkách ukazuje, že nadměrná spotřeba energie při ω= const se ukazuje jako velmi významná. Například výsledky výpočtu provozních režimů čerpadla s parametry jsou uvedeny níže Hx * = 1,2; Px*= 0,3 v síti s různým protitlakem Зс:
Uvedené údaje ukazují, že řízený elektropohon dokáže výrazně snížit spotřebu spotřebované elektrické energie: až o 66 % v prvním případě a až o 41 % ve druhém případě. V praxi se tento efekt může ukázat jako ještě vyšší, protože z různých důvodů (nepřítomnost nebo nefunkčnost ventilů, ruční ovládání) se regulace ventily vůbec neuplatňuje, což vede nejen ke zvýšení spotřeby elektrické energie, ale i k nadměrnému úsilí a nákladům v hydraulické síti.
Energetická problematika jednočinných odstředivých mechanismů v síti s konstantními parametry byla diskutována výše. V praxi dochází k paralelnímu provozu odstředivých mechanismů a síť má často proměnné parametry. Například aerodynamický odpor těžební sítě se mění se změnou délky stěn, hydrodynamický odpor vodovodních sítí je dán režimem spotřeby vody, který se mění v průběhu dne atd.
Při paralelním provozu odstředivých mechanismů jsou možné dva případy:
1) rychlost všech mechanismů je regulována současně a synchronně;
2) reguluje se rychlost jednoho mechanismu nebo části mechanismů.
Pokud jsou parametry sítě konstantní, pak lze v prvním případě všechny mechanismy považovat za jeden ekvivalent, pro který platí všechny výše uvedené vztahy. V druhém případě má tlak neregulované části mechanismů stejný vliv na regulovanou část jako protitlak a je velmi výrazný, proto zde úspora elektrické energie nepřesahuje 10-15% jmenovitého výkonu. stroje.
Proměnné parametry sítě značně komplikují analýzu spolupráce odstředivých mechanismů se sítí. V tomto případě lze energetickou účinnost řízeného elektrického pohonu určit ve formě oblasti, jejíž hranice odpovídají mezním hodnotám parametrů sítě a rychlosti odstředivého mechanismu.
Viz také k tomuto tématu: Frekvenční měniče VLT AQUA Drive pro čerpací jednotky