Энергосберегающие аспекты применения частотно-регулируемого электропривода

Знание механических характеристик необходимо для оценки возможностей частотно-регулируемого электропривода в сбережении энергии. Из механической характеристики зависимость мощности может быть рассчитана с помощью известной формулы. Также можно оценить требуемую энергию, используя выражение

.

Для предварительной оценки КПД следует принимать равным 80-85%, если задействованы двигатели мощностью менее чем 7,5 кВт, и 90-95% для частотно-регулируемого электропривода и двигателей мощностью 75 кВт и более.

Насос

Первый пример - подъёмный кран, где традиционное управление заменено частотно-регулируемым электроприводом.

Во втором примере центробежный насос с дроссельным управлением заменен насосом с частотно регулируемым электроприводом.

Подъемный кран

На рисунке показано сбережение энергии в подъёмном кране. Это нагрузка с постоянным моментом. В случае традиционного управления, электрическая мощность сравнительно постоянна во всём диапазоне изменения скорости. Разность между электрической и механической мощностью составляют потери. Эти потери могут проявляться в редукторе, действие которого основано на трении, гидравлической муфте, индукционной муфте или в реостате. Напротив, требуемая электрическая мощность при использовании частотно-регулируемого электропривода практически пропорциональна мощности на валу двигателя. Разность между двумя кривыми мощности, умноженная на время на каждом уровне скорости и просуммированная за всё время работы - это и будет значение энергии, которая может быть сэкономлена.

Кривые на втором рисунке связаны с центробежным насосом, обычно используемым при орошении и в других случаях, когда необходима перекачка воды. На рисунке представлено несколько кривых. Это зависимости момента от количества перекачиваемой жидкости (в м³ в минуту) для насоса, работающего при постоянной скорости и регулировании потока с помощью дросселя, и требуемой мощности насоса. Также показана требуемая мощность при регулируемой скорости и полностью открытом дросселе. Суммарная экономия энергии является разностью между требуемой мощностью при постоянной скорости и при её регулировании. Эта разность показана в процентах от энергии, используемой при регулировании с помощью дросселя.

На рис.а представлены механические характеристики вентилятора с использованием регулирования дросселированием. Показана зависимость внутреннего давления вентилятора от объёма перекачиваемого воздуха при постоянной скорости. Также представлены две характеристики системы, на которую работает данный вентилятор. Одна характеристика для открытого дросселя, когда вентилятор подаёт максимально возможное количество воздуха. Вторая показывает системную кривую, когда дроссель закрыт, соответствующую 70% подаваемого воздуха. Рабочие точки - пересечения системных кривых с характеристикой насоса. Заметим, что хотя объём передаваемого воздуха меньше, когда дроссель закрыт, давление внутри вентилятора увеличивается. Также показана требуемая мощность привода. Она достаточно постоянна в рассматриваемом диапазоне.

При использовании частотно-регулируемого электропривода, дроссель всегда полностью открыт (если он вообще есть). Есть только одна системная кривая, но две характеристики вентилятора, как показано на рис.б Рабочие точки - пересечения системной кривой с характеристиками вентилятора. В этом случае, однако, внутреннее давление вентилятора низкое при малой скорости, так как воздух может беспрепятственно перемещаться. Следовательно, необходимая потребляемая мощность вентилятора уменьшается с уменьшением потока воздуха. Зависимость мощности от объёма воздуха также показана на рисунке.

Рисунок в показывает требуемую мощность вентилятора, использующего три технологии регулирования потока воздуха, а именно: дросселированием, положением лопаток турбины и с использованием частотно-регулируемого электропривода. Видно, что привод с регулированием положения лопаток требует меньших затрат мощности, чем при регулировании дросселированием. Однако он всё же использует большую мощность, чем привод с частотным регулированием скорости.

На рисунках представлены механические характеристики вентилятора при: г – дроссель открыт, 100% объём; д – дроссель закрыт, 70% объём; е – дроссель открыт, 70% скорости, 70% объём. Давление, умноженное на объём потока - это мощность. Таким образом, площадь заштрихованной зоны на рисунке пропорциональна требуемой мощности. Но это правильно только отчасти. Особенностью работы турбомеханизмов является то, что потребляемая мощность вентилятора может значительно изменяется в зависимости от его рабочей точки. Таблица доказывает это положение.

Замечание: о.е. даны по отношению к варианту г.

Из таблицы можно заключить, что тогда как в случае г, связь между площадью давление-объём и действительной мощностью достаточно ясна, то это совсем не так в случае д. Если, в случае д, площадь будет использована как основа для выбора приводного двигателя, то мощность будет завышена. Причина несоответствия лежит в значительном изменении КПД вентилятора.

Приведенные примеры показывают принципы, на которых основано энергосбережение при использовании частотно-регулируемого электропривода. Важно знать, что каждый привод требует отдельного анализа и что сбережение энергии при помощи частотно-регулируемого электропривода возрастает, когда привод работает на низких скоростях большие периоды времени.