Расчет экономической эффективности для крупного предприятия

При оценке и расчетах по формулам (4.12) – (4.22) режимов работы насосов перекачки и вакуумных насосов установлено, что в целом для оборудования средняя экономия электроэнергии при внедрении частотных преобразователей приблизительно составит 15%.

Пусть на предприятии требуется установить 21 частотный преобразователь на участке 1, на участке 2 можно установить 67 частотных преобразователей, на участке 3 можно установить 41 частотный преобразователь. Окончательное число преобразователей будет определено ниже, так как в некоторых случаях их использование неоправданно.

Примерный перечень требуемых преобразователей по мощности и цене приведен в таблице 2.

Таблица 2. Цены на преобразователи с НДС

Опираясь на таблицу 2, определим необходимую мощность частотных преобразователей и их стоимость. Результаты представлены в таблицах 3 – 5. Примем, что 1 евро = 36 рублей.

Пусконаладочные работы включают в себя установку частотных преобразователей, подключение преобразователей к двигателям, программирование преобразователей, подключение двигателей.

Таблица 3. Возможный тип преобразователя при использовании на участке 1

Таблица 4. Возможный тип преобразователя при использовании на участке 2

Таблица 5. Возможный тип преобразователя при использовании на участке 3

Стоимость данных работ для отдельных агрегатов приведена в таблице 6, и включает в себя плату за работу одного инженерно – технического работника и двух электриков.

Таблица 6. - Оплата пуско-наладочных работ

В дальнейшем обслуживание будет производить один инженерно – технический работник. Обслуживание включает в себя проверку программируемых параметров преобразователя и электрических соединений, а также чистку от пыли. Обслуживание производится 1 раз в 6 месяцев, стоимость обслуживания всех 125 преобразователей составляет 2500 рублей (стоимость обслуживания 1 преобразователя = 20 рублей вместе со всеми налоговыми отчислениями).

В паспорте частотных преобразователей указан срок службы, равный 8 лет.

Амортизируемое имущество со сроком полезного использования 8 лет (96 месяцев) в соответствии с НК РФ относится к 5 группе (срок полезного использования 7-10 лет). Для данного оборудования возможно применение как линейного, так и нелинейного метода амортизации. Для удобства в расчетах будем использовать линейный метод. Норма амортизации рассчитаем по формуле (ст.259 НК РФ):

                                      К=[1/n]* 100%,                                          (4.23)

где К – норма амортизации в процентах к первоначальной (восстановительной) стоимости, n – срок полезного использования данного объекта, выраженный в месяцах.

Подставив необходимые значения в формулу (4.23), получим: К= [1/96] * 100% = 1,04%.

Налог на имущество взимается ежегодно со ставкой 2,2% от среднегодовой стоимости амортизируемого имущества.

Для удобства примем следующие условия. Монтаж преобразователей начинается 1 декабря, через 21 рабочий день они вводятся в эксплуатацию (29-30 декабря). Амортизация начисляется с января.

График денежного потока в рублях при использовании частотных преобразователей представлен в таблице 7.

Таблица 7. График денежного потока в рублях

Экономический эффект от использования частотно-регулируемого привода (чистый дисконтированный доход, ЧДД) рассчитан по формуле:

                      Э =ΣCF ⋅W(r,t) −ΣJ ⋅W(r,t),                                       (4.24)

где Jt - отток денежных средств (инвестирование, техническое обслуживание системы и налог на имущество); CFt - приток денежных средств в связи с экономией электроэнергии и амортизацией; W(r,t) - коэффициент дисконтирования (t - текущее время);

                  W(r,t) = (l+r) - Т,                                                          (4.25)

r – ставка дисконтирования на месяц; Т – период учета денежного потока по инвестиционному проекту (Т=98 месяцев).

Ставка дисконтирования рассчитывалась по методу наращения как функция безрисковой ставки (r0) и премии за риск проекта (по принципам теории арбитражирования):

                Г = r0 + премия R.                                                          (4.26)

Для оценки премии экспертно оценивались риски этапов разработки:

                 r = r0 * (l + h(ρ)),                                                           (4.27)

где h - значение поправочного коэффициента, соответствующее риску ρ.

Поскольку частотные преобразователи разработаны и производится, риск этапа разработки отсутствует.

Риски этапа инвестирования включают:

- риск финансовой несостоятельности реципиента - принят низким (ρ = 2), поскольку финансовое состояние Поставщика устойчивое;

- риск, обусловленный финансовым состоянием инвестора и его целями на рынке, принят на уровне «низкий» (ρ = 2). Финансовое состояние Покупателя устойчивое;

- коммерческий риск (неблагоприятные изменения в конъюнктуре рынка инвестиционных ресурсов) принят равным нулю, поскольку учитывается в безрисковой ставке.

Риск этапа производства обусловлен лишь формированием дебиторской задолженности (ρ = 4). Прочие риски этого этапа считаем отсутствующими (ρ = 0).

Риск четвертого этапа (этап эксплуатации системы) максимален. Необходимо расширить перечень факторов риска, включив риск несанкционированного доступа к системе. Поскольку несанкционированный доступ полностью исключен быть не может, уровень этого риска определен как «средний» (ρ = 5). Риск отказа системы в связи с ее высокой надежностью минимален (ρ = 1).

Средний уровень риска по проекту равен (2+2+0+4+0+5+1)/7=2.

По принятой методике этот уровень риска является основанием для установления ставки дисконта для этапа производства на уровне r = 1,5*r0.

В расчетах применялись три ставки дисконтирования в связи с неопределенностью перспективы экономического развития страны:

- вариант 1 (оптимистические ожидания развития отечественной экономики - ставка ЦБ РФ к 2012 году 9 - 10 % и последующее ее снижение) - ставка дисконта по проекту - 20 %;

- вариант 2 (наиболее вероятное состояние экономики - стабилизация ставки рефинансирования ЦБ РФ к 2013 году на уровне 13 % и последующее ее снижение) - ставка дисконта по проекту - 30 %;

- вариант 3 (пессимистические ожидания относительно перспектив развития отечественной экономики, снижение ставки рефинансирования до 1 - 20 %) — ставка дисконта по проекту - 40%.

Ставки дисконтирования приняты постоянными по всему периоду учета денежных потоков для облегчения расчетов.

Результаты расчета чистого дисконтированного дохода и срока окупаемости инвестиций приведены в таблице 8.

Таблица 8. Экономический эффект от использования частотно-регулируемого привода насосов и вентиляторов на предприятии относительно дросселирования

Выше был рассмотрен эффект при цене электроэнергии 1кВт/ч = 1,21 р. Рассмотрим график денежного потока (таблица 9) и эффект (таблица 10) при повышении цены 1кВт/ч = 1,25 р. при неизменных остальных условиях.

Таблица 15. - График денежного потока в рублях (при стоимости 1кВт\ч = 1,25 рублей)

Таблица 10. - Экономический эффект от использования частотно-регулируемого привода насосов и вентиляторов на предприятии относительно дросселирования (при стоимости 1кВт\ч = 1,25 рублей)

Наиболее вероятна ситуация постоянного роста цен на электроэнергию. Поэтому логично рассмотреть эффект при постоянном повышении цен. Рассмотрим график денежного потока при росте с 2012 года стоимости электроэнергии на 5% ежегодно (таблица 11) и эффект (таблица 12) при постоянном повышении цены 1кВт/ч.

Таблица 11. График денежного потока в рублях (при росте стоимости 1кВт\ч на 5% в год с 2012 года)

Таблица 12. Экономический эффект от использования частотно-регулируемого привода насосов и вентиляторов относительно дросселирования (при росте стоимости 1кВт\ч на 5% в год с 2007 года)

Риски проекта по использованию частотно – регулируемого привода и способы их снижения приведены в таблице 13.

Таблица 13. Риски реализации проекта и способы их снижения

В результате можно сделать вывод, что внедрение ПЧ на предприятии принесет значительный экономический эффект и окупится менее, чем за 2

4.2.4. Электроприводы вентиляторов и турбокомпрессоров

Вентиляторы занимают среди турбомеханизмов второе место после насосов по распространению в промышленности. Основное их число приходится на вентиляторы санитарно-технического на­значения, осуществляющие кондиционирование воздуха в произ­водственных и других помещениях. Несмотря на относительно небольшую мощность этих вентиляторов (до 100 кВт) на их долю приходится значительная суммарная потребляемая энергия.

Мощные вентиляторы используются для увеличения интенсив­ности охлаждения воды в градирнях химических и металлургиче­ских комбинатов. Они имеют невысокую частоту вращения рабо­чего колеса, обычно не более 600 об/мин.

Ограничение допустимой скорости концов лопаток рабочего колеса вынуждает с увеличением диаметра колеса снижать его но­минальную частоту вращения. Вентиляторы имеют большой мо­мент инерции, иногда на порядок и более превышающий момент инерции приводного двигателя, что затрудняет их пуск, а в неко­торых случаях требует применения электрического торможения для быстрой остановки рабочего колеса.

Вентиляторы в отличие от других турбомеханизмов всегда ра­ботают на сеть без противодавления, вследствие чего зависимость момента статического сопротивления на валу приводного двига­теля от скорости носит квадратичный характер, а подводимая к вентилятору мощность без учета потерь на трение в подшипниках пропорциональна кубу скорости. Поэтому для расчета режимов работы вентиляторов можно использовать выражения для закона подобия (4.11*).

Вентиляторы разделяются на центробежные и осевые. Характе­ристики центробежных вентиляторов аналогичны характеристи­кам центробежных насосов. Из аэродинамических способов регу­лирования для центробежных вентиляторов широко используется регулирование поворотом лопастей направляющего аппарата. Регулирующий эффект при этом достигается вследствие уменьше­ния сечения входного канала и закручивания потока на входе в рабочее колесо.

Аэродинамическая характеристика дымососа типа ДН— 12,5-1 при регулировании изменением угла Θ_н.а поворота лопастей на­правляющего аппарата и п_ном = 1000 об/мин показаны на рис. 4.9. Очевидно, что при таком регулировании подачи КПД вентилято­ра будет существенно падать. Поворот лопастей направляющего аппарата может осуществляться как вручную по мере необходимо­сти, так и оперативно с помощью исполнительного двигателя. Одна­ко на практике устройства изменения угла установки направляюще­го аппарата в системах автоматического регулирования использу­ются редко из-за сложности эксплуатации и низкой надежности.

Еще менее экономичным способом регулирования производи­тельности вентиляторов является регулирование шибером сечения выходного канала

Рис.4.9. Аэродинамическая характеристика

дымососа ДН-12,5-1 при регулировании

направляющим аппаратом

вентилятора, аналогичное дроссельному регулиро­ванию насосов. При этом происходит не изменение характеристики вентилятора, как в предыдущем случае, а меняется характеристи­ка магистрали, как это происходит в насосных установках.

Если подачу вентилятора регулировать изменением скорости, то характеристика сети соответствует формуле (4.7) при Н_с = 0, т.е. Н = RQ², а КПД вентилятора во всем диапазоне регулирова­ния остается постоянным.

Мощность, потребляемую из сети двигателем вентилятора (без учета КПД вентилятора), можно оценить по выражениям, полу­ченным из (4.10) и (4.11) при h_с = 0 и μ_0с = 0. Так, при регулиро­вании шибером

                                                                                      (4.28)

а при частотном регулировании

                (4.29)

Зависимости потребляемой мощности, построенные по фор­мулам (4.28) и (4.29), показаны на рис. 4.10. Пунктирной линией даны графики мощности двигателя с учетом КПД вентилятора. На рис. 4.10 видно, что потребляемая мощность в частотно-регу­лируемом электроприводе вентилятора значительно ниже, чем при регулировании шибером почти при любых значениях расхода Q_*, за исключением точки номинального режима.

Осевые вентиляторы имеют характеристики, показанные на рис. 4.11, которые по форме отличаются от характеристик цент­робежных машин. Отличие состоит в том, что левая часть характе­ристик осевого вентилятора имеет провалы и является неустойчи­вой, из-за чего его работа возможна только в области ниже гра­ничного напора. Правая (рабочая) часть характеристики осевых машин крутопадающая.

Рис. 4.10. Зависимости изменения мощности,

потребляемой из сети элект­роприводом

вентилятора, при регулировании шибером

(1) и частотном регулировании (2)

Регулирование подачи осевых вентиляторов осуществляется изменением угла установки лопаток рабочего колеса. Обычно по­ворот лопаток производится при остановленном вентиляторе и занимает относительно большой промежуток времени. Этот спо­соб регулирования оказывается практически непригодным для систем автоматического управления. Разработанные конструкции поворота лопаток на ходу существенно усложняют конструкцию вентилятора и снижают его надежность.

Рис. 4.11. Эксплуатационные характеристики осевого вентилятора се­рии В

Кривые равных КПД осевого вентилятора (см. рис. 4.11) при регулировании поворотом лопаток располагаются перпендикулярно характеристикам Н = f(Q), причем с уменьшением напора КПД заметно падает, в то время как у центробежных машин кривые равных КПД при регулировании направляющим аппаратом рас­полагаются параллельно характеристикам Н = f(Q).

Регулирование производительности осевого вентилятора изме­нением скорости двигателя связано с определенными затрудне­ниями, которых нет в центробежных машинах. Если установить угол поворота лопаток равным, например, Θ_н.а = 47°, то работа на сеть с характеристикой, такой как 0A₁, (см. рис. 4.11), т.е. с любой ха­рактеристикой, проходящей левее 0А₂, окажется невозможной, так как вентилятор попадает в зону неустойчивой работы.

Работа на сеть с характеристикой, лежащей правее 0А₂, напри­мер 0A₃, неэкономична, так как несмотря на регулирование ско­рости КПД, вентилятора не превысит 0,5. Поэтому зона рацио­нальной работы осевого вентилятора с регулированием только скорости довольно узка и в ряде случаев требуется комбиниро­ванное регулирование: периодическое при значительных измене­ниях характеристики сети посредством поворота лопаток с одно­временным изменением скорости и непрерывное в небольшом диапазоне изменения только скорости. Учитывая сказанное, к ре­гулированию осевых вентиляторов нужно подходить более внима­тельно, чем к регулированию центробежных, проводя предвари­тельный анализ возможных режимов работы.

Особое значение для ряда вентиляторов имеет применение регу­лируемого электропривода, так как по некоторым данным утвер­ждается, что КПД вентиляторов при регулируемом электропри­воде должно быть больше, чем при нерегулируемом, в среднем на 12 % [10]. Кроме повышения КПД применение регулируемого при­вода вентиляторов позволяет в некоторых случаях упростить кон­струкцию турбомашин, исключив направляющий аппарат, а так­же обеспечить одновременную работу двух и более вентиляторов. В настоящее время тенденции перехода к регулируемому при­воду для вентиляторов стали более очевидными.

Вентиляторы являются механизмами с режимом длительной нагрузки с большой продолжительностью работы в течение года; нагрузка на валу приводного двигателя спокойная, перегрузок не возникает. Вентиляторы обладают большим моментом инерции, что необходимо учитывать при расчете пусковых характеристик электроприводов.

Необходимый диапазон регулирования скорости для вентиля­торов обычно не превышает 2:1. Более глубокое регулирование используется редко, если учитывать кубическую зависимость потребляемой мощности от частоты вращения. Пуск вентилятора может производиться как при разгруженной машине, т.е. при закрытом направляющем аппарате, так и при полностью открытом. В первом случае максимальный момент при пуске двигателя вентилятора равен примерно 0,4 номинального, во втором - номинальному. При пуске мощных вентиляторов с большим диаметром рабочего колеса обычно требуется ограниче­ние ускорений при пуске во избежание появления чрезмерных динамических напряжений в лопатках рабочего колеса.

Перечисленным требованиям наиболее полно соответствует частотно-регулируемый асинхронный электропривод вентилято­ра. При этом, как правило, можно ограничиться использованием простых и недорогих систем частотного регулирования. Примене­ние этих систем характерно более высокому, чем вентиляторы, классу турбомашин, к которому относятся турбокомпрессоры.

Мощность турбокомпрессоров достигает 18 000 кВт, а в перс­пективе достигнет 25 000 кВт и более. Эти машины предназначе­ны для повышения давления газа и транспортирования его по магистральным трубопроводам.

Турбокомпрессоры в зависимости от степени сжатия газа раз­деляются на воздуходувки со степенью сжатия ниже 1,15; нагне­татели, степень сжатия которых выше 1,15; компрессоры, пред­ставляющие собой машины со степенью сжатия газа более 1,15.

К типичным областям применения турбокомпрессоров отно­сятся генерирование пневматической энергии (энергетические турбокомпрессоры); транспортирование газа по магистральным газопроводам; сжатие воздуха для получения кислорода методом разделения; подача воздуха и кислорода в доменную печь, холо­дильная техника.

Регулирование производительности турбокомпрессоров осуще­ствляется в основном дросселированием на стороне нагнетания, КПД турбомеханизма при этом снижается пропорционально ре­гулированию производительности. Для компрессоров разработана система регулирования путем поворота лопаток направляющего аппарата. КПД при таком регулировании будет выше, чем при дросселировании. Однако применение направляющего аппарата существенно усложняет конструкцию турбокомпрессора и сни­жает его надежность, поэтому этот способ регулирования не по­лучил широкого распространения. Наиболее совершенным спосо­бом регулирования производительности турбокомпрессоров яв­ляется изменение скорости их двигателей.

Примерные характеристики турбокомрессора приведены на рис. 4.12

Рис.4.12 Характеристики турбокомпрессора типа К - 3250-41-1 при различной частоте вращения

Особенность работы турбокомпрессоров состоит в том, что каждой частоте вращения соответствует определенная критиче­ская подача машины, ниже которой ее работа становится неустой­чивой. Причиной неустойчивой работы турбокомпрессоров является повторяющийся срыв потока с рабочих и направляющих лопаток, что приводит к сильным пульсациям давления, открыванию и закрыванию обратного клапана и возникновению аварийных коле­баний в системе. Такой режим называется помпажным. Работа тур­бокомпрессоров в режимах левее границы помпажа (пунктирная линия на рис. 4.12) недопустима. Отметим, что с уменьшением частоты вращения область помпажных режимов сокращается, вследствие чего при регулировании путем изменения частоты вра­щения становится возможной работа турбокомпрессора с пони­женной подачей.

Технологическая необходимость регулирования подачи турбо-компрессорных машин связана с их назначением. Так, режим рабо­ты нагнетателей магистральных газопроводов определяется графи­ком потребления газа на конце газопровода. Задачей регулирова­ния подачи компрессоров в данном случае является обеспечение транспортирования требуемого количества газа при минимальных энергетических затратах. При сокращении потребления газа необ­ходимо снижение его подачи во избежание излишнего повыше­ния давления в трубопроводах. Так как турбокомпрессоры на ма­гистральных газопроводах объединяются в станции, состоящие из нескольких последовательно и параллельно работающих компрес­соров, то регулирование подачи газа ведется ступенчато: измене­нием числа работающих машин. Для плавного регулирования этот метод дополняется дросселированием на стороне нагнетания.

В [5] показано, что применение электроприво­да, обеспечивающего плавное экономичное регулирование ско­рости, дает увеличение КПД компрессорной установки на 25 % по сравнению с регулированием посредством дросселирования и на 12% по сравнению с регулированием с помощью направляю­щего аппарата.

Турбокомпрессоры, нагнетатели и воздуходувки, как правило, являются машинами с режимом длительной нагрузки, вследствие чего их электроприводы должны быть рассчитаны на длительную работу. Они являются быстроходными механизмами с частотой вращения рабочего колеса 3000...20000 об/мин, что определяет целесообразность применения для их приводов высокоскорост­ных двигателей. В тех случаях, когда требуется большая частота вращения рабочего колеса, между двигателем и компрессором устанавливается повышающий редуктор.

Все турбокомпрессоры, за исключением воздуходувок, рабо­тают на сеть с сопротивлением, что определяет зависимость мо­мента сопротивления на валу от частоты вращения.

Пуск турбокомпрессора обычно производится без нагрузки пу­тем соединения полости нагнетания с атмосферой или с полос­тью всасывания, из-за чего максимальный момент при пуске не превышает 0,4 номинального.

Наиболее совершенным способом регулирования производи­тельности турбокомпрессоров является изменение их частоты вра­щения. Основной проблемой при этом является то, что большин­ство двигателей компрессоров являются высоковольтными маши­нами (3, 6 кВ и более). В настоящее время лишь несколько заводов-изготовителей предлагают высоковольтные преобразователи час­тоты, стоимость которых, как правило, намного выше, чем пре­образователей, питающихся от сети 380 В. Кроме того, часто пред­лагаются преобразователи с двойной трансформацией, когда на вход и выход обычного низковольтного преобразователя устанав­ливаются соответственно понижающий и повышающий трансфор­маторы. Такое решение нельзя признать экономичным, так как КПД преобразователя частоты при этом снижается, возрастают материалоемкость и габаритные размеры преобразователя. Исходя из сказанного, следует признать целесообразным либо использо­вание непосредственных преобразователей частоты на основе обы­чных тиристоров, либо двухзвенных высоковольтных преобра­зователей частоты со звеном постоянного тока на основе запира­емых тиристоров.

4.2.5. Электроприводы поршневых машин

Важное место в промышленном производстве занимают пор­шневые компрессоры и насосы, а также плунжерные насосы. Пор­шневые компрессоры находят применение в производстве поли­мерных материалов, в установках для разделения воздуха, холо­дильных установках и др. Поршневые и плунжерные насосы при­меняются в производстве минеральных удобрений, на предпри­ятиях легкой и пищевой промышленности.

Поршневые и плунжерные насосы, а также поршневые комп­рессоры имеют мощность от единиц киловатт до нескольких ме­гаватт. Поршневые насосы, как правило, относительно тихоход­ны, причем с увеличением мощности частота вращения их мень­ше и не превышает обычно 500 об/мин, а насосы небольшой мощ­ности имеют более скоростные двигатели с частотой вращения 1000 и 1500 об/мин. Часто рабочий вал компрессора или насоса соединяется с двигателем посредством клиноременной передачи, шкивы которой выполняют в этом случае также роль маховиков.

Особенностью поршневых машин является наличие в их кинема­тической схеме кривошипно-шатунного механизма. Момент сопро­тивления на кривошипном валу механизма, создаваемый одним поршнем, представляет собой периодическую функцию угла по­ворота вала. Момент, создаваемый поршнем одного цилиндра, оп­ределяется следующим выражением [5]:

                                                                             (4.30)

где F— сила реакции поршня, Н, F = πHD²/4 (Н - давление, раз­виваемое в цилиндре, Па; D — диаметр поршня, м); R — радиус кривошипа, м; η — КПД кривошипно-шатунного механизма и цилиндра; ω — угловая скорость вала, с^-1; α - мгновенное значе­ние угла между осями шатуна и штока.

Пренебрегая изменением угла α, в первом приближении мож­но считать, что момент изменяется во времени по синусоиде. Для уменьшения пульсаций нагрузки поршневые машины выполня­ются, как правило, двух- или многоцилиндровыми с соответству­ющим сдвигом кривошипов каждого из цилиндров.

Для того чтобы пульсации момента сопротивления не вызывали пульсаций момента, развиваемого двигателем, на кривошипном валу обычно предусматривается маховик либо применяется электро­двигатель, обладающий большим моментом инерции ротора.

Момент, который должен развивать двигатель, можно предста­вить в виде суммы двух составляющих: постоянного среднего М_ср и переменного значения момента инерции, зависящего от угла поворота кривошипа, угловой скорости и жесткости механиче­ской характеристики двигателя [5]:

                                         (4.31)

где ΔM — амплитуда колебаний момента при скорости; J - мо­мент инерции, приведенный к валу двигателя; β — коэффициент жесткости механических характеристик двигателя, β = M_ном/(ω₀S_ном).

Как следует из формулы (4.31), пульсации момента двигателя будут тем ниже, чем больше момент инерции привода и больше его скорость, что необходимо иметь в виду при применении регу­лируемого электропривода, так как степень неравномерности мо­мента при снижении скорости возрастает.

Таким образом, наличие в кинематической схеме поршневых машин кривошипно-шатунного механизма и необходимость ис­пользования маховика или двигателя с повышенным моментом инерции определяют следующие их особенности как объекта элек­тропривода: пульсирующий характер нагрузочного момента, зависимость пульсаций от скорости привода; повышенный момент инерции, затрудняющий пуск привода; повышенный момент со­противления при пуске. Так, из-за низкого КПД кривошипно-шатунного механизма и большого сопротивления трения покоя в цилиндрах пусковой момент даже ненагруженных поршневых ма­шин должен быть не менее 1,2 номинального.

В настоящее время для привода поршневых машин большой мощности применяется нерегулируемый электропривод с синхрон­ными двигателями, для машин средней и малой мощности - с короткозамкнутыми асинхронными двигателями, как правило, с повышенным пусковым моментом. Иногда для регулирования по­дачи используют двухскоростные асинхронные двигатели.

Применение ТПН или ППЧ в электроприводах поршневых машин связано с рядом проблем.

Во-первых, это необходимость обеспечения высокого пуско­вого момента. Многие преобразователи имеют специальный ре­жим форсирования напряжения на двигателе (режим «кик-старт») для обеспечения трогания двигателя, который должен быть акти­визирован для таких электроприводов. Заметим, что в некоторых случаях приходится завышать мощность преобразователя для обес­печения требуемого момента трогания.

Во-вторых, в поршневых машинах наблюдается не такая суще­ственная зависимость потребляемой мощности от скорости дви­гателя, как это имело место в турбомашинах, поэтому экономия электроэнергии при переходе к частотно-регулируемому электро­приводу будет не столь значительна (примерно пропорциональ­ная снижению скорости). Это также означает, что в таких меха­низмах ТПН может использоваться только для плавных пуска и остановки, но не для регулирования скорости двигателя, так как в этом режиме потери в двигателе резко возрастают. При этом следует иметь в виду, что если в соответствии с технологией тре­буются частые остановки поршневой машины, например плун­жерного насоса дозатора, то для минимизации потерь в пуско-тормозных режимах требуется минимальный суммарный момент инер­ции, а для минимизации потерь энергии в уста­новившемся режиме работы с переменным моментом сопротив­ления момент инерции должен быть как можно больше. В связи с этим момент инерции маховика в таких случаях должен выби­раться после детального анализа тахограммы и нагрузочной диа­граммы привода.

В-третьих, для поршневых машин с длительным режимом ра­боты момент инерции маховика должен быть также оптимизиро­ван исходя из требуемого диапазона изменения скорости (при снижении скорости в соответствии с формулой (4.31) пульсации момента увеличиваются) и допустимых значений амплитуды мо­мента двигателя.

4.2.6. Электроприводы конвейеров и транспортеров

Движение ленте конвейера или транспортера, как правило, пе­редается от асинхронного двигателя через редуктор и приводной барабан. Момент на валу приводного двигателя конвейера [5]

где F— усилие на приводном барабане, F= F_xx + F_Г (F_xx — усилие, затрачиваемое на перемещение ленты конвейера или транспорте­ра; F_Г — усилие, необходимое на перемещение груза); R — радиус приводного барабана; i_р — передаточное отношение редуктора; η_р — КПД редуктора.

Когда груз на ленте конвейера отсутствует, двигатель развива­ет момент холостого хода М_хх = F_xx R/_ipη _pхх , где η_р._х.х - КПД редуктора, соответствующий усилию F_xx.

Учитывая линейную зависимость сил трения от усилий, необходи­мых для перемещения груза [5], зависимость момента на валу дви­гателя от усилия на барабане можно представить следующим обра­зом: М_* = М_хх* + (1 - M_xx*)F_r* , где М_* = М/М_ном; М_хх* = M_хх /M_ном; F_r* = F_r / F_{r ном} (M_ном — номинальный момент на валу двигателя, необходимый для перемещения ленты и номинального груза при номинальной скорости; F_{r ном} — составляющая усилия F в тяну­щем органе конвейера, возникающая за счет перемещения толь­ко номинального полезного груза).

Составляющая F_r тянущего усилия и линейная скорость пере­мещения V_* конвейера определяют его производительность: Q_* = F_r*V_* , где Q_*, = Q/Q_ном (Q_ном — номинальная производительность конвейера).

При постоянной номинальной скорости конвейера V_* = 1

Q_* = F_r*

поэтому потребляемую с вала двигателя мощность можно запи­сать в виде

           (4.32)

где Р_* = Р/Р_ном = 1; ω_* = ω / ω _ном; ω = Vi_p/R; Р_ном, ω _ном — номинальные соответственно мощность и угловая скорость на валу двигателя.

Из формулы (4.32) следует, что по мере снижения производи­тельности эффективность работы конвейера уменьшается, так как возрастает относительная доля мощности, расходуемой на пре­одоление момента холостого хода М_хх.

Более экономичным является режим работы конвейера с пере­менной линейной скоростью, обеспечивающей ту же производи­тельность, но при постоянстве составляющей усилия F_r* = 1. В соот­ветствии с формулой (4.32) угловая скорость в этом случае должна изменяться по закону ω_* = V_* = Q_* , которому соответствует мощность на валу двигателя

                                        (4.33)

Очевидно, что в этом случае мощность на валу двигателя будет меньше на величину

                                                             (4.34)

Из формулы (4.34) видно, что эффект от регулирования ли­нейной скорости конвейера тем выше, чем больше момент холо­стого хода и чем значительнее снижается его производительность.

Характерным примером является электропривод ленточных участковых и магистральных конвейеров угольных шахт и горно-обогатительных комбинатов, работающий с переменной нагруз­кой, изменения которой достаточно трудно предсказуемы из-за случайного характера грузопотока. При этом время работы на холо­стом ходу может достигать 20...40 % времени работы конвейера.

Для оценки возможного снижения энергопотребления при при­менении регулируемого электропривода ленточного конвейера в сравнении с нерегулируемым электроприводом было вычислено относительное потребление электрической энергии при транспор­тировании груза одинакового объема системами с нерегулируемым электроприводом, с частотно-регулируемым электроприводом, обеспечивающим плавное регулирование скорости ленты конвей­ера, с двухскоростным электроприводом с различным соотноше­нием номинальных угловых скоростей, равным 1:2 и 1:3, обеспе­чивающим дискретное регулирование линейной скорости ленты конвейера [5].

Применение дискретного регулирования линейной скорости ленты конвейера с использованием двухскоростного элект­ропривода с соотношением угловых скоростей 1:2 и 1:3 позволя­ет снизить потребление электроэнергии на 5...21 % по сравнению с нерегулируемым приводом. Экономия энергии при применении регулируемого привода тем выше, чем ниже загрузка конвейера.

Таким образом, применение частотно-регулируемого электро­привода конвейера, обеспечивающего плавное регулирование линейной скорости ленты, позволяет получить максимальную эко­номию электроэнергии транспортирования груза при переменном грузопотоке. Немаловажное значение имеет и возможность плав­ного пуска конвейера.

Отметим, что особенностью частотно-регулируемых электро­приводов конвейера является необходимость применения асин­хронного электродвигателя с принудительным охлаждением, чтобы при регулировании угловой скорости ниже номинальной условия охлаждения двигателя не изменялись. Это позволяет обеспечить по условиям нагрева постоянный, равный номинальному значе­нию, момент на всех скоростях АД.

Kонтрольные вопросы

1.  Какие существуют основные направления экономии электроэнергии при использовании регулируемых асинхронных электроприводов?

2.  Почему применение регулируемого электропривода позволяет сни­зить энергопотребление?

3.  Как влияет неравномерность нагрузки многодвигательных электроприводов на суммарные потери в электроприводе?

4.  В чем заключается сущность энергосберегающего режима работы при управлении асинхронным электроприводом от полупроводниковых преобразователей?

5.  От каких факторов и параметров зависит уровень снижения энерго­потребления при реализации энергосберегающего алгоритма управле­ния асинхронным электроприводом?

6.  Для каких механизмов применение энергосберегающего алгоритма
управления электроприводом является наиболее эффективным?

7.  В чем заключается необходимость перехода от нерегулируемого электропривода насосных агрегатов холодного и горячего водоснабжения к частотно-регулируемому асинхронному электроприводу?

8.  Как рассчитать выигрыш в потребляемой мощности в зависимости от изменяющегося расхода воды (жидкости) при частотном способе ре­гулирования асинхронного электропривода вместо дроссельного регули­рования насосной установки?

9.       Каковы преимущества применения частотно-регулируемых асинхронных электроприводов для вентиляторов и турбокомпрессоров?

10.     Целесообразно ли применение частотно-регулируемых асинхронных электроприводов для поршневых машин?

11.  Влияет ли пульсирующая составляющая момента статической на­
грузки на потери в электроприводе? Каким образом?

12.  В чем преимущества использования частотно-регулируемых асин­ронных электроприводов для конвейеров и транспортеров?

13. Как оценить уровень снижения энергопотребления при использовании для конвейеров частотно-регулируемого асинхронного электро­привода вместо нерегулируемого электропривода?

5. ВАРИАНТЫ РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКИХ ЗАДАНИЙ

Целью выполнения РГЗ является закрепление теоретического материала и освоение методик оценки энергоэффективности регулируемых электроприводов.

При выполнении РГЗ определению подлежат:

- основные составляющие потерь в элементах нерегулируемого электропривода;

- составляющие потерь в основных звеньях регулируемого электропривода;

- расчет экономической эффективности внедряемого регулируемого электропривода.

Задание 1.

Для питательного насоса энергоблока мощностью 210 мВт мощность насоса составляет 5000 кВт, КПД насоса равен 0,87,  необходимо выбрать приводной асинхронный двигатель. Рассчитать основные потери в двигателе для случая нерегулируемого привода насоса с дросселированием для трех режимов работы энергоблока. Данные по режимам работы приведены в таблице 5.1.

Таблица 5.1.

Для выбранного асинхронного двигателя выбрать преобразователь частоты и определить его параметры. Рассчитать потребляемую мощность частотно-регулируемым электроприводом для тех же режимов нагрузки энергоблока. Определить основные составляющие потерь частотно регулируемого электропривода (ЧРЭП).

Произвести оценку экономической эффективности внедряемого ЧРЭП, по методике, приведенной в разделе 4.

Остальные варианты задания 1 приведены в таблице5.2

Таблица 5.2.

* Для вариантов 2- 6 задания 1 все пункты, подлежащие расчету остаются теми же, что и для варианта 1.

Задание 2.

Для двигателя мощность P кВт, установленного в системе воздушного отопления школы и работающего с 7 до 17 час с диаграммой относительного расхода, приведенного на рис. А требуется :

-  найти по справочнику параметры двигателя данной мощности и определить основные потери в двигателе для случая нерегулируемого привода насоса с дросселированием ;

- для выбранного асинхронного двигателя выбрать преобразователь частоты и определить его параметры;

- определить основные составляющие потерь частотно регулируемого электропривода (ЧРЭП);

- определить экономию электроэнергии и срок окупаемости при замене системы дросселирования на частотное регулирование скорости двигателя, при работе в году в течение 240 дней. Стоимость преобразователя можно взять из таблицы 2 раздела 4. Цену кВт×ч. потребленной энергии принять на уровне 3, 17 руб.

Рис. А. Диаграмма относительного расхода

При расчете последнего пункта задания можно воспользоваться упрощенной методикой, суть которой сводится к следующему:

По диаграмме,  приведенной на рис. 4.7 и показанной на рис. В

Рис.В Диаграмма зависимости Р_* = f(Q_*)

определяем мощность двигателя при полностью открытой заслонке (Q_* =1) -

Р_1мах = 1,08 Р_ном и при полностью закрытой заслонке (Q_* = 0) - Р_1мин = 0,4 Р_ном

Требуемая мощность преобразователя частоты : Р_пч =1,1 × Р _1макс  (кВт). Выбирают ближайший по мощности ПЧ из таблицы 2 раздела 4 (кВт), и его цену в мини­мальной конфигурации.

Допустимая производительность (Q_*доп ) при полном использовании двигателя Р_доп = Р_дв.ном /η_дв.ном находят по кривой 2, приведенной на рис.В (Q_*доп>1).