Центробежные вентиляторы, насосы и компрессоры объединяются в один класс нагрузочных механизмов для электропривода, так как их характеристики с точки зрения требований и условий работы электропривода имеют много общего. Около 25% всей вырабатываемой электроэнергии расходуется на электропривод турбо механизмов. Большая часть электроприводов указанных механизмов является нерегулируемыми.
Традиционные способы регулирования подачи насосных и вентиляторных установок состоят в дросселировании напорных линий и изменении общего числа работающих агрегатов по одному из технологических параметров – давлению на коллекторе или в диктующей точке сети, уровня в приёмном или регулирующем резервуаре и др. Эти способы регулирования направлены на решение технологических задач и практически не учитывают энергетических аспектов транспорта воды или газа.
Гидравлическое и электротехническое оборудование насосных станций обычно выбирается по максимальным техническим параметрам (подаче, напору и др.) системы водоснабжения и водоотведения. Однако в реальной жизни оказывается, что вновь вводимые в эксплуатацию насосные установки выходят на проектные режимы в течение нескольких лет. Поэтому существующие станции нередко работают в режимах отличающихся от расчётных. Кроме того, имеют место суточные, недельные и сезонные колебания расходов и напоров, обусловленные переменным водопотреблением, в результате этого рабочие режимы насосов оказываются вне рабочих зон их характеристик.
Поэтому с появлением надёжного регулируемого электропривода создались предпосылки для разработки принципиально новой технологии транспорта воды или газа с плавным регулированием рабочих параметров насосной установки без непроизводительных затрат электроэнергии и с широкими возможностями повышения точности и эффективности технологических критериев работы систем подачи. При этом геометрическим местом рабочих точек насосной установки становятся характеристики трубопроводов, а не характеристики насосов как в случае регулирования подачи насосных агрегатов с постоянной частотой вращения.
Со времени энергетического кризиса, вызвавшего повышение в 70-80-е годы цен на энергоресурсы, исследовались возможности энергосбережения, в том числе у рабочих машин с квадратически изменяющимся моментом вращения по отношению к частоте вращения. С помощью регулирования частоты вращения для изменения расхода по сравнению с дросселиванием достигается значительный потенциал сбережения энергии.
Если момент вращения – квадратическая функция частоты вращения, то мощность на валу двигателя уменьшается в кубической зависимости при снижении частоты вращения.
В настоящее время это широко используется в насосах, вентиляторах и турбокомпрессорах с асинхронными двигателями, которые питаются от статических преобразователей частоты.
В мировой практике для этой цели начинает широко использоваться частотно-управляемый асинхронный электропривод со стандартными короткозамкнутыми асинхронными электродвигателями общего применения. Это обусловлено появлением на западном рынке большого количества весьма совершенных и относительно недорогих преобразователей частоты, построенных на современной элементной базе.
Эффект внедрения регулируемого электропривода для турбо- механизмов можно легко представить из сопоставления потребляемой мощности при различных способах регулирования производительности [1].
Как видно из [1] при расходе воздуха в объёме 50% расчётного максимума требуемая мощность при дросселировании составляет 73%; при использовании запорно-регулирующей арматуры – 50%, а при регулировании частоты вращения – всего 14% от номинальной мощности.
Регулируемый электропривод позволяет экономить не только электрическую энергию, но и тепловую, снижать электрическую нагрузку в часы максимума, а также экономить воду. По данным АО «Москвич» [2] отопление промышленных зданий осуществляется с помощью приточных вентиляционных систем так, в сборочно-кузовном корпусе установлено 45 приточных вентиляционных систем, оснащённых электродвигателями 100 кВт каждый. Регулируя производительность вентиляторов по объёму нагнетаемого воздуха и одновременно уменьшая подачу теплофикационной воды на калориферы, можно обеспечить нужный температурный режим в цехе в соответствии с требованиями санитарно- гигиенических норм, не допуская «перетопа».
Регулируемый привод для вентиляторных систем может служить регулятором мощности в часы максимума нагрузки энергосистемы. Кратковременное снижение производительности вентиляторов, практически не оказывая влияния на работу в цехах завода, позволяет предприятию заявить меньшую мощность и, тем самым сократить затраты на электроэнергию при расчётах по двухставочному тарифу.
Электропривод, являясь энергосиловой основой современного производства, потребляет около 60% всей вырабатываемой электроэнергии. Среди промышленных электроприводов преобладают асинхронные короткозамкнутые электроприводы.
По прогнозам к 2002 году на Европейском рынке из общего числа продаваемых регулируемых приводов, электроприводы переменного тока составят 68%, а электроприводы постоянного тока составят только 15%, остальная доля приходится на механические и гидравлические привода.
Таким образом, применение регулируемого электропривода турбо- механизмов позволяет создать новую технологию энергосбережения, в которой экономится не только электроэнергия, но и сберегается тепловая энергия и сокращается расход воды за счёт утечек её при превышениях давления в магистрали, когда расход мал.
Дополнительно новая технология энергосбережения в вентиляторных установках с большой суммарной мощностью позволяет регулировать мощность в часы максимума нагрузки и тем самым сократить затраты на электроэнергию при двухставочном тарифе. При частотном регулировании насосов можно в значительной степени избежать аварийные ситуации за счёт предотвращения гидравлических ударов, возникающих при изменении режимов работы и пуске системы при нерегулируемом электроприводе. Поэтому проводимые работы по переводу турбо- механизмов являются актуальными.
Проведённые исследования по применению регулируемого электропривода турбо- механизмов позволяют сформулировать следующие основные выводы и рекомендации:
1. Единственным способом регулирования асинхронных короткозамкнутых двигателей является частотный способ, способный в наибольшей степени осуществлять экономически целесообразные режимы работы во всём диапазоне регулирования производительности турбо- механизмов.
2. Модернизация действующих нерегулируемых электроприводов с целью энергосбережения позволяет получать максимально возможный экономический эффект за счёт минимальных капитальных затрат.
3. Частотное управление по максимуму момента является основным способом достижения максимальной производительности асинхронного электропривода в статических режимах. При частоте ниже 40-50 Гц наиболее рационально использовать управление по минимуму тока статора с ограничением iдоп = 1 (в относительных единицах) при более высоких частотах – управление по минимуму потерь с ограничением DРдоп/D Рном = 1.
4. Технологические особенности электроприводов турбо- механизмов позволяют считать их как объектно-ориентированные электроприводы, работающие в основном в статических режимах. Наибольшее проявление динамики привода происходит при пуске турбо- механизмов с большими инерционными массами.
5. Тепловое состояние асинхронного двигателя целесообразно характеризовать при постоянстве магнитного потока, когда скорость двигателя равна или меньше номинальной.
