CC BY
68
ЭНЕРГЕТИКА И ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЙ ОТРАСЛИ
УДК 621.313
Мугалимов Р.Г., Мугалимова АР.
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ВАРИАНТОВ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ПРОМЫШЛЕННЫХ УСТАНОВОК НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ ТРАДИЦИОННЫХ И КОМПЕНСИРОВАННЫХ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Реализация федеральной целевой программы «Энергосбережение» невозможна без создания новых и модернизации существующих технологических процессов, рабочих машин, агрегатов и их электроприводов. Электроприводы промышленных установок на 85% созданы на основе применения традиционных асинхронных двигателей (ТАД), обладающих высокой надежностью, но сравнительно невысокой энергоэффективностью. Их номинальный электрический КПД (^н) составляет 70-92%, коэффициент мощности (соБфн) не превышает 0,8-0,92, энергегическийКПД (^эн=Пн'С08фн) находится в диапазоне 56-82%, то есть 18-44% потребляемой ТАД электрической энергии превращается в теплоту и рассеивается в окружающей среде.
В настоящее время повышение энергоэффектив-ности асинхронных электроприводов промышленных установок осуществляется преимущественно путем создания систем «преобразователь частоты - асинхронный двигатель» (ПЧ-АД) или «тиристорный регулятор напряжения - асинхронный двигатель» (ТРИАД). Однако в этих регулируемых и нерегулируемых системах электроприводов используются ТАД с невысокой энергоэффективностью.
В ГОУ ВПО «МГТУ» разработан, исследован и создан новый вариант асинхронного двигателя, обладающий повышенными показателями энергоэффективности. В отличие от ТАД, энергоэффективный асинхронный двигатель (ЭАД), мощность которого равна мощности ТАД, за счет индивидуальной компенсации реактивного тока индуктивного характера током емкостного характера и явления феррорезонан-са токов потребляет от источника питания на 10-15% меньший ток, имеет номинальные электрический КПД ^н=85-93%, коэффициент мощности созфн=1,0, энергетический КПД ^эн=85-93% [1-3].
При создании новых или модернизации действующих асинхронных электроприводов приходится исследовать альтернативные варианты, удовлетворяющие главным требованиям рабочих машин и оценивать их показатели энергоэффективности. С разработкой ЭАД число исследуемых вариантов значительно увеличивается, что усложняет выбор оптимального варианта электропривода. Известные методы и алгоритмы, при-
меняемые для оценки показателей энергоэффективности асинхронных электроприводов, ориентированные на применение ТАД, не могут без соответствующих доработок применяться для оценки показателей энергоэффективности электроприводов, создаваемых на основе ЭАД. Они не учитывают их конструктивные особенности, новые зависимости, описывающие энергетические процессы в ЭАД, а также технические средства, используемые для компенсации реактивной мощности.
В данной работе поставлена задача создания методики моделирования показателей энергоэффективности для различных вариантов регулируемых и нерегулируемых электроприводов с применением как ТАД, так и ЭАД с учетом технологической нагрузки рабочей машины. Задача решается при следующих условиях, требованиях и допущениях:
1) нагрузочная М(1) и скоростная ю(1) диаграммы рабочей машины задаются в аналитической или графической форме в функции времени за полный технологический цикл рабочей машины или за определенный промежуток времени ее работы (час, сутки и т.д.); задается КПД рабочей машины в функции от технологической нагрузки;
2) показатели энергоэффективности вариантов систем электроприводов определяются: для регулируемых электроприводов ПЧ-ТАД, ПЧ-ЭАД, ТРН-ТАД, ТРН-ЭАД, ТАД с фазным ротором, ЭАД с фазным ротором; для нерегулируемых электроприводов на основе применения ТАД или ЭАД с короткозамкнутым ротором;
3) для систем ПЧ-ТАД, ПЧ-ЭАД задаются зако-ны изменения отношения: или ипЛ^сош^ или Цн/^^сошИ; для систем ТРН-ТАД, ТРН-ЭАД задаются законы изменения напряжения от угла регулирования ТРИ;
4) моделирование энергетических показателей электроприводов осуществляется по электрическим схемам замещения ТАД или ЭАД с учетом потерь элек-трической энергии в преобразователях и системе электроснабжения;
5) технологическая нагрузка Р2(1)=М(1)-ю(1) экви-валентируется активным сопротивлением КН1, включаемым последовательно в ветвь ротора электрической схемы замещения ТАД или ЭАД;
Рис. 1. Блок-схема алгоритма
6) для электроприводов на основе применения ЭАД емкость компенсирующего конденсатора С3 может изменяться: или в функции от коэффициента загрузки k3 электродвигателя при частоте тока fi=const, или в функции f1 при k3=const, или для C3=const, рас -считанных при U1=üiH, f1=fiH, k3=1,0, или U1=üiH, fi=flH, 0<k3<1,0;
7) главными показателями энергоэффективности являются: потребляемый ток I1, коэффициент мощности cos9, электрический и энергетический КПД, потребляемая от источника питания электрическая энергия W1, электрическая энергия W2, преобразованная в полезную механическую работу, потребляемые полная S и реактивная Q мощности, потери активной мощности АР и электрической энергии AW, эквивалентные мощность и момент двигателей, удельный расход электрической энергии wу;
8) электрические схемы замещения ТАД и ЭАД приняты линейными и их расчет осуществляется для первой гармоники тока; электрические потери от токов высших гармоник в системах ПЧ-АД и ТРН-АД учитываются по рекомендациям, опубликованным в [4, 5].
Сущность разработанной методики рассмотрим на примере моделирования показателей энергоэффективности одного из самых распространенных электроприводов - электропривода насосного агрегата системы водоснабжения. На рис. 1 изображена блок-схема алгоритма, реализующая методику расчета показателей энергоэффективности вариантов электроприводов насосных агрегатов.
Математические уравнения, описывающие технологическую нагрузку, гидравлическую часть насоса и трубопровода, приняты по [4]. Зависимости, описывающие работу электрической части основаны на публикациях [5, 6].
Методика расчета показателей энергоэффектив-ности электроприводов реализуется в следующей последовательности. В блоке 1 исходными данными являются: графики подачи жидкости Qj(Atj); статическая составляющая напора или противодавления Нп, м; экспериментальные или аналитические напорю-расходные характеристики насоса hj(qj) и трубопровода HT1(Qj); наибольшие значения подачи и напора насоса Qe, м3/ч, Нб, м; максимальный КПД насоса при номинальной частоте вращения ^шах.н, о.е; плотность жидкости р, кг/м3; ускорение свободного падения g, м/с2; тип и номинальные данные асинхронного двигателя ТАД или ЭАД: Р2н, UH, fiH, р; параметры электрической схемы замещения ТАД, ЭАД; коэффициент загрузки двигателя по мощности k3, o.e.; коэффициент перегрузки двигателя по вращающему моменту, X, o.e.; тип электропривода: ПЧ-АД регулируемый - (1) или нерегулируемый - (0); закон регулирования отношения напряжения и частоты ПЧ: U1/f1=const (1) или (U1/f1)ß=const (0); значение коэффициента ß, o.e. (ß=1,5^3,0); для ЭАД задаются варианты определения емкости компенсирующего конденсатора: C3=f(RH1, f1);
C3=f(k3i, flH); C3=f(k3H, flH); C3=f(k3H, fl3).
В блоках 2, 3 вычисляются фиктивный напор Нф и фиктивные гидравлические сопротивления насоса 8ф и трубопровода 8тф, напор насоса Ц и напор в трубо-
проводе НТ1 при подаче Р1 в интервале времени
В блоке 4 осуществляется проверка варианта системы электропривода. ЕслиПЧ-АД=1, то электропривод регулируемый, если ПЧ-АД=0, то электропривод нерегулируемый. Если электропривод по системе ПЧ-АД, то в блоке 5 вычис ляется частота вращения рабочего колеса п1, соответствующая подаче р1. В блоках 6, 7 вычисляются КПД насоса в функции от частоты вращения рабочего колеса насоса, КПД насоса в функции от подачи р1. В блоках 8, 9 определяются: мощность насоса необходимая для транспортирования жидкости с подачей Р1 - без превышения напора, при этом НТ1 определяется по уравнению напорно-расходной характеристики трубопровода; полезная мощность на валу асинхронного двигателя Р21 и частота его вращения п21 принимаются равными мощности и частоте вращения насоса, т.е. Р21=ЭДТ; п21=п1.
В блоке 10 осуществляется проверка задания закона регулирования отношения напряжения Ц/Я ПЧ. Если отношение Ц/Я^сопй (1), то в блоке 11 определяются: частота вращения магнитного поля статора п1ъ соответствующая частоте вращения ротора п21, коэффициенты изменения частоты тока к^, напряжения кЦ1, вычисляются Я11, Цл. Если отношение Ц/Я изменяется по другому закону (0), например, (Ц/ЯО^сошЛ, то в блоке 12 определяются: частота вращения магнитного поля статора п11 и напряжение Ц двигателя.
В блоке 13 проверяется условие, не превышает ли напряжение Цн на выходе ПЧ номинального напряжения Ц1н асинхронного двигателя. Если Цп ПЧ меньше или равно Ц^, в блоке 14 осуществляется расчет сопротивления ЯН1, пропорционального мощности насоса, для схем замещения асинхронного двигателя; величина скольжения двигателя, соответствующая его нагрузке, определяется по формуле Б^Яа/^- Я21). Если Ц ПЧ больше номинального напряжения Ц^ двигателя, то в блоке 15 принимается Цн = Ц1н и в блоке 14 определяются величины ЯН1 и б1 с учетом принятого напряжения.
Если электропривод нерегулируемый, ПЧ-АД (0), то в блоках 16-20 определяются: частота вращения насоса п21 при подаче Р1 и напоре Н1 по формуле п21 = п11 • (1 - бн • Р 21/Р2н), где п11 определяется отношением пи = 60Яи/р ; КПД насоса % в функции от частоты вращения рабочего колеса насоса; КПД насоса , в функции от подачи мощность насоса N необходимая для транспортирования жидкости с подачей Р1 с превышением напора в трубопроводе, при этом напор насоса Н1 определяют по его напорно-расходной характеристике; мощность N¡1, необходимая для транспортирования жидкости при подаче Р1 без избыточного превышения напора в трубопроводе, напор НТ1=Н1 в трубопроводе для подачи Р1 определяют по его напорно-расходной характеристике.
В блоках 21, 22: полезная мощность на валу асинхронного двигателя Р21 и частота его вращения п21 принимаются равными мощности и частоте вращения насоса, т.е. Р21=^т; п21=п1; коэффициенты изменения напряжения ичастоты источника питания (электросети) принимаются кЦ = 1,0, кЯ = 1,0 , Ц11 = Цн, Я11 = Ян.
В блоке 14 для вычисленного значения Р21 при Цн, ^н вычисляются ИН1 и 81 по формуле
=
т, • И,2 2Р,;
- Я.. +
т1 • И 2Р.
2
- Я,
- 2.2
где =у]Я2 + Х^ =у!+ (2лГ11(Ь1 + Ь'2))2 - модуль полного сопротивления короткого замыкания; Ьь Ь'2 -индуктивности обмоток статора, ротора при ^^н.
В блоке 23 осуществляется проверка варианта двигателя - ЭАД или ТАД. Если ЭАД (1), то в блоке 24 проверяется условие - по какому закону изменяется С3, то есть адаптируется ли она и к нагрузке Р21, и к частоте тока двигателя. Если емкость компенсирующего конденсатора адаптируется и к нагрузке Р21, и к частоте тока то в блоке 25 определяется С3 по [7]. В блоке 26 для известных параметров электрической схемы замещения ЭАД и вычисленных ЯН1, 81, к11, кИ1, С3 осуществляется расчет электрических, рабочих и механической характеристик ЭАД по [8].
В блоке 27 по известным зависимостям вычисляются: электрическая энергия, потребляемая электроприводом от источника питания энергия, необходимая для транспортирования жидкости без превышения напора W21; потеряэнергииД'^; удельный расход энергии ^у1; КПД системы «насос-трубопровод»; коэффициент мощности со8ф1 электропривода.
В блоке 28 проверяется условие, будет ли емкость
О, м3/ч 100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 11 12 1 3 1 4 15 16 17 18 1 9 2 0 2 1 2 2 23 24 Ч
Рис. 2. Суточный график подачи воды
УУу, кВтч/м3
3,00
2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00
I
■ ТАД □ ЭАД
10 11 12 13 14
Номер подачи
а
компенсирующего конденсатора С3 изменяться только от коэффициента загрузки электродвигателя. Если условие выполняется (1), то в блоке 29 расчет емкости компенсирующего конденсатора вычисляется при Яш=к31Р2н, ^^н. В блоке 30 проверяется условие, будет ли емкость компенсирующего конденсатора С3 изменяться только от частоты тока. Если условие не выполняется (0), то в блоке 31 расчет емкости компенсирующего конденсатора С3 осуществляется при номинальных ^ Ян=Р2н. Если условие выполняется (1), то в блоке 32 расчет емкости компенсирующего конденсатора осуществляется при 111 и Ян, соответствующему номинальному коэффициенту загрузки двигателя по мощности, т.е. Р21=Р2н.
Если условие блока 23 соответствует (0), т.е. в электроприводе используется ТАД, то для известных параметров электрической схемы замещения ТАД и вычис-ленных ЯН1, 81, кй, кИ1, С3 в блоке 33 осуществляется рас -чет электрических, рабочих и механической характеристик ТАД [8]. В блоке 34 осуществляется проверка выполнения расчетов всех ьх подач жидкости с расходом Р1, т.е. реализация графика Q(t). В блоке 35 вычисляются: электрическая энергия, потребляемая электроприводом от источника питания Wl; энергия, затраченная на реализацию графика подачи жидкости Q(t); энергия на транспортирование жидкости без превышения напора W2; потеря энергии ДW; КПД со8ф, эквивалентные момент и мощность электропривода за время Т. В блоке 36 осуществляется вывод результатов моделирования электропотребления и показателей энергоэффективности электропривода насосного агрегата.
С использованием разработанной методики моделирования и компьютерной программы выполнены исследования режимов электропотребления вариантов регулируемых и нерегулируемых электроприводов насосных агрегатов при использовании ТАД и ЭАД, ПЧ-ТАД и ПЧ-ЭАД. Исследовались показате-ли энергоэффективности электроприводов на основе ТАД и ЭАД в установившихся режимах работы насосной установки типа АНУ3 АЦМС 90 (производитель «ЛИНАС», г. Москва) теплового пункта МП трест «Теплофикация» (г. Магнитогорск), реализующий суточный график подачи воды, представленный на рис. 2. При этом для привода насосов использовались асинхронные двигатели: ТАД - АИР 18082 У3, Р2н=22 КВТ; и1н=220 В; ^=0,88; со8фн=0,91; 1Н=41,6 А;
У/у, кВтч/м3
0,30
0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 -(0,00
■ ТАД
□ ЭАД
I
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Номер подачи
б
Рис. 3. Зависимости удельных расходов энергии от подачи: а - нерегулируемый электропривод; б - регулируемый электропривод
0
ЭАД - АИР 18082 У3, Р2н=22 кВт; Ц1н=220 В; %=0,92; соБфн=1,0; 1Н=36,2 А
Результаты моделирования показателей энергоэффективности электроприводов насосной установки в полном объеме опубликованы в [9]. На рис. 3 приведены главные показатели энергоэффективности - удельные расходы электрической энергии при различных подачах жидкости для вариантов нерегулируемых и регулируемых электроприводов, созданных на основе ТАД и ЭАД, ПЧ-ТАД и ПЧ-ЭАД.
Из диаграмм видно, что в электроприводах, созданных на основе ЭАД, удельный расход электроэнергии на 9,5-9,7% ниже, чем в электроприводах на основе ТАД.
Анализ результатов математического моделирования, полученных с помощью разработанной методики определения электропотребления и показателей энрегоэффективности электроприводов насосных агрегатов, позволяет утверждать:
1) электроприводы насосных агрегатов, созданных на основе ЭАД, энергоэффективнее электроприводов насосных агрегатов на основе ТАД на 9,5-9,7%;
2) среднее потребление тока нерегулируемыми электроприводами на основе ЭАД (34,68 А) ниже, чем среднее потребление тока электроприводами на основе ТАД (42,19 А) на 17%;
3) среднее потребление тока регулируемыми электроприводами на основе ПЧ-ЭАД (16,46 А) ниже, чем среднее потребление тока электроприводами на основе ПЧ-ТАД (23,5 А) на 29%;
4) снижение потребляемых токов электроприводами на основе ЭАД позволяет разгрузить силовые трансформаторы насосных станций по току и реактивной мощности.
Исследование показало также, что каждый киловатт установленной мощности ЭАД для электропривода насосного агрегата позволяет экономить электрической энергии: в нерегулируемом электроприводе 956,3 кВт-ч; при частотном регулировании - 347,7 кВт-ч.
Изложенная методика может быть адаптирована для исследования показателей энергоэффективности асинхронных электроприводов других рабочих машин, агрегатов и промышленных установок, в том числе электроприводов, создаваемых по системе ТРН-ТАД, ТРН-ЭАД.
Список литературы
1. Пат. 2112307 Щ МКИ6Н02 к 17/28. Асинхронная компенсированная электрическая машина/ Савицкий А.Л., Мугалимов Р.Г., Савицкая Л.Д. // Открытия. Изобретения. 1998. № 15.
2. МугалимоваА.Р., Мугалимов Р.Г. Энергосберегающий электропривод нефтяного станка-качалки на основеасинхронного двигателя с индивидуальной компенсацией реактивной мощности // Электромеханические преобразователи энергии: материалы Междунар. науч.-техн. конф., 20-22 октября 2005 г. Томск: ТПУ, 2005. С. 196-199.
3. Мугалимов Р.Г., МугалимоваА.Р., ГубайдуллинА.Р. Экспериментальные исследования электроприводов волочильного стана на основе энергосберегающих асинхронных двигателей // Изв. вузов. Электромеханика. 2009. № 1. С. 43-47.
4. ЛезновБ.С. Энергосбережение и регулируемыйприводв насосных и воздуходувных установках. М.: Энергоатомиздат, 2006.
5. Мугалимова АР., Мугалимова М.Р., Мугалимов Р.Г. Электриче-
ская схема замещения энергосберегающего асинхронного двигателя с индивидуальной компенсацией реактивной мощности // Молсдежь. Наука. Будущее. Вып. 2: об. науч. тр. студентов / под ред. Л.В. Радионовой. Магнитогорск: МГТУ, 2004. С. 239-245.
6. Мугалимов Р.Г., МугалимоваА.Р. К проектированию энергосберегающего асинхронного двигателя с индивидуальной компенсацией реактивной мощности // Электромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляемые энергомеханические системы: труды III Междунар. науч.-техн. конференции. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2007. С. 77-80.
7. Мугалимов Р.Г., МугалимоваА.Р. Определение емкости компен-сирующегокоцденсатораасинхронного двигателя с индивидуальной компенсацией реактивной мощности// Известия ТулГУ. Техническиенауки. Вып.3: в 5 ч. Тула: Изд-воТугТУ, 2010. Ч. 4. С. 115-120.
8. МугалимоваА.Р., МугалимоваМ.Р., МугалимовР.Г. Исследование рабочих, механическиххаракгерисгики энергосберегающих свойств асинхронного электропривода //Молодежь. Наука. Будущее. Вып. 2: сб. науч. тр. студентов/ под ред. Л.В. Радионовой. Магнитогорск: МГТУ, 2004. С. 245-249.
9. Мугалимов Р.Г., Косматов В.И., Мугалимова АР. Исследование электропотребления и энергоэффективности насосных агрегатов на основеэнергосберегающих асинхронных двигателей //ИзвестияТулГУ. Технические науки. Вып. 3: в 5 ч .Ту -ла: Изд-во ТулГУ, 2010. Ч. 4. С. 65-71.
Bibliography
1. Patent 2112307 RU, MKI6 H02 to 17/28. Asynchronous compensated electrical machine / Savitsky A.L., Mugalimov R.G., Savit-skaya L.D. // Discoveries. Inventions. 1998. № 15.
2. MugalimovaA.R, Mugalimov R.G. Energy-saving electric drive of an oil pumping installatononthe basis of the induction motor with individual compensatonofreactivepower // Electromechanical energy converters: Proceedings ofthe International Scientific and Technical. Conf. 20-22 October 2005. Tomsk: TPU, 2005. P. 196-199.
3. Mugalimov R.G., Mugalimova A.R., Gubaidullin A.R. Experimental studies of electric drives of a drawing mill based on energy-efficient induction motors // Proceedings of universities. Electro-mechanics. 2009. № 1. P. 43-47.
4. Leznov B.S. Energy saving and controlled electric drive in pumping plants and blower installations. M.: Energoatomizdat, 2006.
5. Mugalimova A.R., Mugalimova M.R., Mugalimov R.G. Electrical equivalent circuit of energy-efficient induction motor with individual compensation ofreactivepower // Youth. Science. Future. Issue 2: collected scientifc papers ofuniversity students / under the editorship of L.V. Radionova. Magnitogorsk: MSTU, 2004. P. 239-245.
6. Mugalimov R.G., Mugalimova A.R. Design of energy-saving induction motor with individual compensation of reactive power // Electromechanical and electromagnetic energy converters and controlled electromechanical systems: proceedings of the III International Scientifc Conference. Yekaterinburg: Ural State Technical University, 2007. P. 77-80.
7. Mugalimov R.G., Mugalimova A.R. Determination of capacity of a compensating capacitor of an induction motor with individual compensation of reactive power // Proceedings of Tula State University. Technical sciences. Issue 3: in 5 Volumes. Tula: Publishing house of Tula State University, 2010. V. 4. P. 115-120.
8. MugalimovaA.R.,MugalimovaM.R.,Mugalimov R.G.Investigation of operating, mechanical characteristics andenergy savingproperties of an induction motor// Youth. Science.Future. Issue2: collected scientific papers ofuniveraty students / under the editorship of L.V. Radionova. Magnitogorsk: MSTU, 2004. P. 245-249.
9. Mugalimov R.G.,Kosmatov V.I., Mugalimova A.R. Study of electric power consumptionandenergy efficiency ofpumpingunits on the basis of energy-eficientinduction motors // Proceedings of Tula State University. Technical sciences. Issue3: in 5 Volumes. Tula: Publishing house of Tula State University, 2010. V. 4. P. 65-71.
