Поставщики устройств обратной связи по энергии для преобразователей частоты напоминают, что в современном промышленном производстве сфера применения насосов, вентиляторов и другого оборудования становится всё более обширной. Потребление электроэнергии, потери на дросселирование в заслонках, клапанах и другом оборудовании, а также ежедневные расходы на техническое обслуживание и ремонт составляют почти 20% себестоимости. Это существенная статья производственных расходов. С развитием экономики, углублением реформ и обострением рыночной конкуренции энергосбережение и снижение потребления энергии постепенно становятся важным средством повышения качества продукции и снижения производственных затрат.
1. Основы теории энергосберегающих технологий переменной частоты
Основной принцип технологии преобразования частоты заключается в том, что частота переменного тока, используемого электрооборудованием, поддерживается на постоянном уровне в течение длительного времени. Применение технологии преобразования частоты заключается в том, чтобы сделать частоту ресурсом, который можно свободно регулировать и использовать. В настоящее время наиболее активной и быстро развивающейся технологией регулирования частоты является технология регулирования скорости с помощью переменной частоты.
Технология преобразования частоты включает в себя компьютерные технологии, технологии силовой электроники и технологию передачи щелчков. Это комплексная технология, объединяющая механическое оборудование и сильное и слабое электричество. Она относится к преобразованию сигнала тока промышленной частоты в другие частоты, что в основном достигается с помощью полупроводниковых компонентов. Затем переменный ток преобразуется в постоянный ток, а инвертор регулирует ток и напряжение, обеспечивая бесступенчатое регулирование скорости электромеханического оборудования. Подводя итог, технология преобразования частоты заключается в управлении скоростью двигателя путем изменения частоты тока, тем самым эффективно управляя двигательным оборудованием. Все это достигается на основе ежегодного увеличения частоты тока и скорости двигателя. Характерной чертой технологии преобразования частоты является то, что она может обеспечить плавную работу двигателя, автоматически контролировать ускорение и замедление, а также снижать потребление энергии, одновременно повышая эффективность работы.
В повседневной эксплуатации преобразователей частоты в основном используются прямое управление крутящим моментом и векторное управление. В дальнейшем в разработке преобразователей частоты будут использоваться искусственные нейронные сети и методы нечёткой самооптимизации. Более того, по мере дальнейшего развития преобразователей частоты их комплексность будет становиться всё более высокой. Помимо выполнения базовых функций регулирования скорости, они также обладают функциями связи, программирования и идентификации параметров, задаваемыми внутри преобразователя.
2. Принцип энергосбережения преобразователя частоты
2.1 Методы энергосбережения с переменной частотой
Согласно гидромеханике, мощность = давление * расход. Расход и скорость в степени один пропорциональны, давление пропорционально квадрату скорости, а мощность пропорциональна кубу скорости. Если КПД водяного насоса фиксирован, то при уменьшении расхода скорость будет уменьшаться пропорционально, а выходная мощность также будет уменьшаться в кубической зависимости. Таким образом, скорость водяного насоса приблизительно пропорциональна потребляемой мощности двигателя. Например, когда двигатель водяного насоса мощностью 55 кВт работает на 80% от своей первоначальной скорости, его потребление энергии составляет 28 кВт/ч, а уровень экономии энергии составляет 48%. Но если скорость регулируется до 50% от первоначальной, потребление энергии становится 6 киловатт/ч, а уровень экономии энергии достигает 87%.
2.2 Внедрение компенсации коэффициента мощности для экономии энергии
Реактивная мощность не только приводит к нагреву оборудования и повышенному износу проводов, но, что самое главное, снижение коэффициента мощности приводит к снижению активной мощности электросети. В результате в линиях электропередачи потребляется большое количество реактивной энергии, что приводит к снижению эффективности работы оборудования и серьёзным потерям. После использования устройства частотного регулирования потери реактивной мощности дополнительно снижаются благодаря фильтрующему конденсатору внутри преобразователя частоты, что увеличивает активную мощность электросети.
2.3 Использование метода плавного пуска для экономии энергии
В связи с тем, что двигатель запускается через Y/D или прямой пуск, пусковой ток в четыре-семь раз превышает номинальный, что может оказать серьезное воздействие на энергосистему и электромеханическое оборудование. Более того, это требует очень высокой мощности энергосистемы, генерируя относительно большой ток во время пуска и вызывая значительные повреждения клапанов и перегородок при вибрации, что также очень пагубно влияет на срок службы трубопроводов и оборудования. Использование преобразователей частоты использует функцию плавного пуска преобразователя частоты для запуска тока с нуля, и максимальное значение не будет превышать номинальный ток. Таким образом, воздействие на энергосистему и требования к мощности источника питания значительно снижаются, а срок службы клапанов и оборудования значительно продлевается.
3. Примеры применения энергосберегающей технологии переменной частоты
В качестве примера модернизации энергосберегающего оборудования с частотным регулированием мы использовали установку частотно-регулируемого регулятора скорости на циркуляционном насосе мощностью 160 кВт. Мы провели измерения потребления электроэнергии до и после модернизации и получили весьма удовлетворительные результаты.
3.1 Режим управления до преобразования частоты
При работе циркуляционного насоса, когда расход воды изменяется в зависимости от технологических требований, необходимо регулировать открытие выходного и входного отверстий насоса для изменения фактической производительности. Этот метод регулирования называется дросселированием. В данном примере открытие выходного и входного клапанов составляет около 60%. С точки зрения использования энергии такой метод регулирования крайне неэкономичен.
3.2 Режим управления после преобразования частоты
При работе циркуляционного насоса, когда расход воды изменяется в зависимости от технологических требований, впускной и выпускной клапаны полностью открываются. Регулируя скорость двигателя, можно найти подходящую рабочую точку для достижения необходимого расхода. В зависимости от реальной ситуации и потребностей на объекте, можно реализовать ручное или автоматическое управление. В данном примере, поскольку нет необходимости часто регулировать расход, фактическая рабочая частота двигателя установлена на уровне 40 Гц, исходя из реальной ситуации и потребностей на объекте, а ручное управление используется главным образом для экономии энергии.
4. Изменения в работе после использования системы частотного регулирования скорости
Достигнут полностью плавный пуск. При запуске двигателя скорость ротора постепенно увеличивается в зависимости от частоты входного напряжения, что обеспечивает плавный рост скорости. Время запуска всей системы составляет около 20 секунд, что не оказывает никакого влияния на работу системы и обеспечивает более плавный пуск, чем при первоначальном способе запуска.
Потребляемый ток в электросети также значительно снизился, что повысило безопасность использования электрооборудования. Одновременно с понижением частоты снижается и скорость вращения двигателя, что снижает механический износ и значительно снижает вероятность отказов и затраты на техническое обслуживание. Трансформатор, питающий водяной насос, сохранил большую часть мощности электросети. Благодаря простому снижению активной нагрузки экономия составляет около 50 киловатт, что повышает эффективность использования оборудования. Коэффициент мощности двигателя также соответственно повышается, что делает его работу более экономичной.
Использование технологии преобразования частоты позволило повысить качество продукции, снизить энергопотребление, сэкономить энергию и дополнительно увеличить экономическую выгоду предприятий. Применение технологии регулирования скорости с помощью преобразования частоты требует модернизации оборудования для достижения энергосбережения.