Тема: Автоматизированная система регулирования разрежения в топке парогенератора тепловой станции с применением частотного управления дымососом
Исполнитель: Ковалёв Андрей Александрович, студент гр. 741-об
Руководитель: Рыбалёв Андрей Николаевич
Преобразователи частоты- электротехническое оборудование для регулирования частоты переменного напряжения. Основная сфера применения этих устройств - изменение частоты вращения и крутящего момента электрических машин асинхронного типа. Принцип действия управления и регулирования основан на зависимости скорости вращения магнитного поля от частоты питающего напряжения.
Асинхронные электродвигатели широко используются в качестве приводов промышленного оборудования, насосных агрегатов, регулирующей арматуры и других устройств. Основным недостатком этих электрических машин являются постоянная скорость вращения, большие пусковые токи. При помощи частотных преобразователей возможно устранить эти недостатки и существенно расширить сферу применения электродвигателей переменного тока.
Высоковольтные преобразователи частоты
Преобразователи частоты больших мощностей на напряжения 3-6,6 кВ находят все большее применение на предприятиях нашей страны. Это обусловлено несколькими причинами.
Во-первых, применение преобразователей частоты позволяет сэкономить на затратах на электроэнергию. В частности данное преимущество характерно для привода мощных двигателей вентиляторов, насосов и компрессоров. Во многих случаях внедрение преобразователей на данных механизмах позволяет заказчику окупить затраты на внедрение частотно-регулируемого привода в течении двух лет.
Во-вторых, применение преобразователей частоты позволяет осуществить плавный пуск одного или нескольких двигателей, что положительно влияет как на ресурс двигателя, так и на качество питающей сети. Так прямой пуск высоковольтного электродвигателя сопровождается 6-8 кратным броском пускового тока, создающим ударный электромагнитный момент и четырехкратный знакопеременный момент, передающийся через вал двигателя на приводимый в движение механизм. В результате, ударные нагрузки приводят к разрушению и пробою изоляции обмоток статора электродвигателей, перегоранию межкатушечных соединений, обгоранию выводных концов, поломкам валов, соединительных муфт, редукторов и другим неполадкам. При более длительных пусках обмотки электродвигателей помимо мощного электродинамического воздействия подвергаются интенсивному нагреву пусковыми токами. При этом выделяющееся тепло, не успевая рассеяться в металле статора или ротора, вызывает резкое повышение температуры обмотки, что приводит к снижению уровня изоляции и авариям. Нарушается ритмичность производства и снижается выпуск готовой продукции. Предприятия несут большие затраты на ремонт вышедшего из строя оборудования.
В-третьих, использование преобразователя частоты в регулировании приводов технологических процессов дает возможность более точно и гибко реагировать на изменяющиеся требования к качеству конечной продукции. На сегодняшний день известно два способа решения задач частотного регулирования. Это так называемая двухтрансформаторная схема и посредством применения «прямоточного» преобразователя частоты
Виды преобразователей частоты
Частотные преобразователи различаются по конструкции, принципу действия, способу управления. По конструктивному исполнению преобразователи частоты разделяют на две большие группы:
Электромашинные частотники.
Электромашинные или индукционные преобразователи частоты представляют собой двигатели переменного тока, включенные в режим генератора. Применяются такие электротехнические устройства относительного редко, в условиях, где затруднено или невозможно применение электронных частотных преобразователей.
Электронные преобразователи.
Полупроводниковые ЧП состоят из силовой части, выполненной на транзисторах или тиристорах, и схемы управления на базе микроконтроллеров. Это электротехническое оборудование пригодно для трехфазных и однофазных приводов любого назначения. Различают ЧП с непосредственной связью с питающей сетью и устройства с промежуточным звеном постоянного тока.
Непосредственные преобразователи частоты
Такие частотники построены на базе быстродействующих тиристорных преобразователей, включенных по мостовым, перекрестным, нулевым и встречно-параллельным схемам.
Устройства такого типа включаются непосредственно в питающую сеть.
Плюсы непосредственных преобразователей частоты:
• Возможностью рекуперации электроэнергии в сеть при работе в режиме торможения двигателя. Непосредственное включение обеспечивает двусторонний обмен электричеством.
• Высоким к.п.д. за счет однократного преобразования частоты.
• Возможностью наращивания мощности за счет присоединения дополнительных преобразователей.
• Широким диапазоном низких частот. Непосредственные преобразователи обеспечивают стабильную работу привода на малых скоростях.
Минусы непосредственных преобразователей частоты:
• Аппроксимированная форма выходного напряжения с наличием постоянных составляющих и субгармоник. Такая форма переменного напряжения на выходе устройства вызывает дополнительный нагрев двигателя, снижает момент, создает помехи.
• Частота напряжения на выходе преобразователя не превышает аналогичную характеристику сетевого напряжения. Таким образом, при помощи этих устройств можно только снижать скорость вращения двигателей.
• Основная сфера непосредственных преобразователей - электроприводы на базе асинхронных и синхронных двигателей большой и средней мощности.
Преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока.
Частотные преобразователи этого типа выполнены на базе схемы двойного преобразования. Питающее сетевое напряжение преобразуется в постоянное, затем сглаживается и инвертируется в переменное выходное напряжение заданной частоты.
Плюсы преобразователей с промежуточным звеном постоянного тока:
• Возможностью получения выходного напряжения с частотой как выше, так и ниже аналогичного параметра сети питания. Частотники на базе схемы двойного преобразования используют для высоко- средне- и низкоскоростных электроприводов.
• Чистой синусоидальной формой напряжения на выходе. Схема преобразователя позволяет получать переменное напряжение с минимальным отклонением от синусоидальной формы.
• Возможностью построения простых и сложных силовых и управляющих схем для приводов с различными требованиями к скорости реагирования, диапазону скоростей.
• Возможностью адаптации к сетям постоянного тока. Преобразователи данного типа можно приспособить для питания от резервных и аварийных источников постоянного тока без дополнительных устройств. Это позволяет применять такие частотники в приводах ответственного оборудования с резервными источниками электроэнергии.
• Разнообразием алгоритмов управления. Преобразователи со звеном постоянного тока можно запрограммировать и адаптировать практически ко всем электроприводам, в том числе и претенциозным, где требуется особо точное регулирование скорости и момента.
Минусы преобразователей с промежуточным звеном постоянного тока:
• Относительно большую массу и габариты, что обусловлено наличием выпрямительного, фильтрующего и инверторного блоков.
• Повышенные потери мощности. Схема двойного преобразования несколько уменьшает общий к.п.д.
Преимущества частотных преобразователей.
Основные преимущества использования частотных преобразователей:
1) Экономия электроэнергии.
Применение ЧП позволяет снизить пусковые токи и регулировать потребляемую мощность двигателя в зависимости от фактической нагрузки.
2) Увеличение срока службы промышленного оборудования.
Плавный пуск и регулировка скорости вращения момента на валу позволяют увеличить межремонтный интервал и продлить срок эксплуатации электродвигателей.
Возможность отказаться от редукторов, дросселирующих задвижек, электромагнитных тормозов и другой регулирующей аппаратуры. снижающей надежность и увеличивающей энергопотребление оборудования.
3) Отсутствие необходимости проводить техническое обслуживание.
ЧП не имеют движущихся частей, нуждающихся в регулярной чистке и смазке.
4) Возможность удаленного управления и контроля параметров оборудования с электроприводом.
Во многих частотниках реализована возможность подключения удаленных устройств телеметрии и телемеханики, они могут встраиваться в многоуровневые системы автоматизации.
5) Широкий диапазон мощности двигателей.
Частотные преобразователи устанавливают как на однофазные конденсаторные двигатели мощностью менее 1 кВт, так и на синхронные электромашины мощностью в десятки МВт.
6) Защита электродвигателя от аварий и аномальных режимов работы.
ЧП комплектуют защитой от перегрузок, коротких замыканий, пропадания фаз. Преобразователи также обеспечивают перезапуск при возобновлении подачи электроэнергии после ее отключения.
Возможность бесступенчатой точной регулировки частоты вращения без потерь мощности, что невозможно при использовании редукторов.
7) Снижение уровня шума работающего двигателя.
Возможность замены двигателей постоянного тока асинхронными электрическими машинами с частотными регуляторами. Для оборудования, требующего регулировки момента и скорости вращения, часто используются двигатели постоянного тока, скорость вращения которых пропорциональна поданному напряжению. Такие электрические машины стоят дороже асинхронных и требуют дорогостоящих промышленных выпрямителей. Замена двигателей постоянного тока на асинхронные электромашины с частотным управлением дает хороший экономический эффект.
Рассчет экономии электроэнергии с использванием преобразователей частоты для насоса
Насос мощностью 37 кВт обеспечивает наполнение аккумулирующей емкости.
Насос работает на номинальной мощности только в ночное время (с целью экономии электроэнергии) (с 20 до 8 часов) в остальное время наполнение емкости осуществляется на пониженной производительности 80% от номинала (частота ПЧ 35 Гц).
Учитывая, что потребляемая мощность электродвигателя прямо пропорциональна кубу производительности насоса, и КПД насосной установки приблизительно равно 0.8, получим:
Потребляемая мощность = 37 кВт x (0.83)/КПД установки (0.8) = 23,68 кВт = 64 % (номинальной).
Стоимость преобразователя серии VLT HVAC Basic FC 101 мощностью 37 кВт ≈ 161 500 руб.
Рассчитаем экономию электроэнергии.
Стоимость 1 кВт/ч электроэнергии ≈ 3 руб.
Экономия за сутки = (37 кВт - 23,68 кВт) * 12 часов = 159,84 кВт/ч.
Экономия за сутки = 3 * 159,84 = 479,52 руб.
Экономия за год = 479,52 руб * 365 дней ≈ 175024,8 руб.
Отдельно посчитаем экономию, которая достигается за счет энергосберегающих функций «Данфосс».
Напомним, что функция АЕО дает 5% экономии, автоматическая адаптация двигателя добавляет 5%, а функция «Сон» дополнительно экономит 5% энергии.
Общая дополнительная экономия составит 15%.
Экономия за сутки = 3 *0,15 * 37 * 12 = 199,8 руб.
Экономия за год = 365 * 199,8 = 72927 руб.
Общая экономия электроэнергии = 175024,8 + 72 927 = 247951 руб.
Экономия на дополнительном конвертере шлюзов может составить = 6000 руб.
Экономия за счет функции регулирования расхода по давлению позволяет использовать более дешевые датчики, а именно разница в цене датчиков может составить = 28 000 руб.
Экономия достигаемая за счет встроенного дросселя на звене постоянного тока может составить около 8000 руб (это стоимость внешнего дросселя для такой мощности).
Экономия за счет встроенного логического контроллера составит 4000 руб (это стоимость внешнего контроллера).
Заметим, что приведенный расчет учитывает не все преимущества преобразователей частоты «Данфосс», итоговая экономия может оказаться более значительной.
В итоге, на один повысительный насос с преобразователем частоты экономия в год составит 289 952 руб.
Таким образом, покупка преобразователя частоты окупится уже за год.
Конструкция частотного преобразователя
Основными элементами частотного преобразователя являются силовая часть (преобразователь электрической энергии) и управляющее устройство (контроллер). Современные частотные преобразователи обычно имеют модульную архитектуру, что позволяет расширять возможности устройства. Также зачастую имеется возможность установки дополнительных интерфейсных модулей и модулей расширения каналов ввода/вывода.
