Оценка ресурса энергосбережения в электроприводе дутьевого вентилятора с двухскоростным асинхронным электродвигателем

Экономическая эффективность применения частотно-регулируемых электроприводов для тягодутьевых механизмов (дутьевых вентиляторов и дымососов) котлов подтверждена результатами исследований многих авторов и обоснована, например, в [1–5]. При внедрении преобразователей частоты в электроприводах вспомогательных механизмов тепловых электростанций и городских тепловых станций (котельных), как правило, не производится замена установленных асинхронных (в том числе двухскоростных) электродвигателей, не выработавших свой ресурс. Подобная ситуация возникла на пиковой котельной г. Магнитогорска при переводе электроприводов дутьевых вентиляторов (ДВ) и дымососов водогрейных котлов КВГМ-100 на частотное регулирование скорости (производительности). При этом двухскоростные электродвигатели ДВ типа ДАЗО 12-55-6/8 остались в работе. Номинальная мощность двигателя – 250/105 кВт при питании от обмоток высокой (1000 об/мин) и низкой (750 об/мин) скоростей соответственно. При существующей схеме электропитание обмотки высокой скорости (ВС) осуществляется от преобразователя частоты (ПЧ) типа SB-17 («Сбережок») либо от сети 380 В, питание обмотки низкой скорости (НС) – только от сети.

При питании обмоток от сети предусмотрено дроссельное регулирование производительности ДВ.

Предполагается, что возможность переключения электропитания двигателя ДВ с обмотки ВС на обмотку НС в сочетании с частотным регулированием скорости по схеме, представленной на рис. 1, а, обеспечит дополнительный ресурс энергосбережения. Соответственно возникает задача оценки этого ресурса при различных способах регулирования производительности.

Ниже проводится исследование и дается сравнительная оценка энергетической эффективности способов управления тягодутьевыми механизмами котлоагрегатов тепловых электрических станций с применением частотно-регулируемого электропривода и двухскоростного асинхронного двигателя. Сравниваются варианты дроссельного регулирования производительности на обмотках ВС и НС, питания обмотки ВС от ПЧ во всем диапазоне регулирования производительности и вариант с переключением ПЧ с обмотки ВС на обмотку НС без учета и с учетом к.п.д. электромеханической системы.

Производительность водогрейного котла, являющаяся его основным параметром, зависит от нагрузки, которая обычно изменяется от половины

3*380 + PEN

QF2

КМ2

а)

б)

Рис. 1. Силовая схема переключения обмоток (а) и схема устройства управления двухскоростным электродвигателем дутьевого вентилятора водогрейного котла (б). 1 – двухскоростной электродвигатель; 2 – дутьевой вентилятор; 3, 4, 9 – коммутационные аппараты; 5 – источник питания; 6, 7 – выводы обмоток низкой и высокой скоростей; 8 – блок управления; 10 – блок задания производительности; 11 – датчик производительности; 12 – преобразователь частоты; 13 – направляющий аппарат

номинальной до номинальной. Пропорционально производительности котла изменяется примерно в два раза производительность ДВ, система управления которым является одной из составных частей системы управления котельным агрегатом. Авторами предложен способ регулирования производительности тягодутьевых механизмов на основе сочетания частотного регулирования с переключением ПЧ с обмотки ВС на обмотку НС (и обратно) и дроссельного регулирования в диапазонах скоростей, близких к номинальным значениям скоростей на этих обмотках.

Разработано устройство [6], схема которого представлена на рис. 1, б, оно обеспечивает работу в двух режимах:

• -    дросселирования, когда производительность ДВ регулируется положением направляющего аппарата при постоянных скоростях вращения двухскоростного электродвигателя;

• -    частотного регулирования скорости при работе как на обмотке ВС, так и на обмотке НС, при этом направляющий аппарат полностью открыт.

Блок задания количества подаваемого воздуха 10 задает производительность Qзад дутьевого вентилятора 2, которая удовлетворяет оптимальному соотношению топливо –воздух. Возможность выбора одного из названных режимов регулирования скорости обеспечивает повышение на- дежности дутьевого вентилятора и всей системы управления отопительного котла при выходе из строя преобразователя частоты [7]. Также при работе в течение длительного времени в диапазонах регулирования скорости, близких к номинальным на обмотках ВС и НС, преобразователь частоты может быть выведен из работы, что позволяет сохранить его ресурс. Это целесообразно в связи с длительными режимами работы на указанных скоростях. К тому же вывод ПЧ из работы повышает устойчивость электропривода ответственного механизма к нарушениям электроснабжения: провалам напряжения и кратковременным (1–3 с) отключениям [8, 9].

На первом этапе переключение обмоток при питании от ПЧ рекомендовано осуществлять вручную после остановки двигателя. Это связано со сложностью синхронизации поля статора и частоты вращения ротора при кратковременной потере питания, связанной с переключением коммутационных аппаратов. В дальнейшем планируется реализация алгоритма принудительного гашения остаточного поля электродвигателя, рассмотренного в [10], либо режима «самоподхвата», реализованного в ПЧ серии ЭПВ [11].

При расчете потерь мощности и соответственно ресурса энергосбережения за основу принята методика, представленная в [12]. Естественная напорная характеристика ДВ описывается зависимостью

H* =1,5-0,5(Q*)2, где Н* = Н / Нном, Q* = Q / Qном – относительные величины напора и производительности.

В качестве базовых приняты номинальные величины Q ном и Н ном . Принято, что характеристика ДВ согласована с напорной характеристикой магистрали, т. е. при полностью открытой трубопроводной арматуре их номинальные параметры равны между собой.

Искусственные напорные характеристики ДВ при регулируемой частоте вращения рассчитываются по выражению

HИ* =1,5(ω*)2-0,5(Q*)2, где ω* = ω / ωном – относительное значение скорости вращения ДВ для искусственной характеристики.

Напорная характеристика магистрали представляется в виде

H* =kM(Q*)2, где kM = (1,5-0,5(Q*)2)/(Q*)2 – коэффициент пропорциональности, учитывающий сопротивления поворотов и местных сужений по длине магистрали, длину и диаметр магистрали, трение транспортируемой среды о стенки, сопротивление, вносимое регулирующим аппаратом и др.

Естественные и искусственные напорные характеристики ДВ и магистрали, рассчитанные по приведенным зависимостям, представлены в относительных единицах на рис. 2, а. Приняты обозначения: 1 – естественная напорная характеристика ДВ при ω* = 1; 2 – естественная напорная характеристика магистрали для kМ = 1 при Q* = 1; 3 – искусственная напорная характеристика магистрали для kМ =2,7 при Q* = 0,75; 4 – искусственная на- порная характеристика магистрали для kМ= 5,5 при Q* = 0,5; 5 – искусственная напорная характеристика ДВ при ω* = 0,75.

Площадь контура mcakm на рис. 2, а пропорциональна энергии, которую потребляет двухскоростной электродвигатель, работая на обмотке ВС при питании от сети и регулировании производительности ДВ методом дросселирования. Относительная мощность, потребляемая из сети при питании от преобразователя частоты либо при дроссельном регулировании:

Р ^*

Q ^* H ^*

,

ηАДηТМηмагηПЧ где ηАД , ηТМ , ηмаг , ηПЧ – коэффициенты полезного действия двухскоростного электродвигателя, тягодутьевого механизма (дутьевого вентилятора), магистрали и преобразователя частоты.

В строке 2 табл. 1 приведены расчетные значения относительной мощности Р ^*_др , потребляемой двухскоростным электродвигателем из сети в режиме регулирования производительности ДВ методом дросселирования. Данная зависимость представлена на рис. 2, б в виде графика 1. При расчетах принято допущение, что во всем диапазоне изменения производительности 0,5 ≤ Q ^∗ ≤ 1,0 электродвигатель равномерно загружен в течение года, и к.п.д. всех звеньев ( η _АД , η _ТМ , η _маг , η _ПЧ) остаются неизменными. Средняя относительная мощность составляет Р _д ^* _р.ср = 0,89 .

Площадь контура meakm на рис. 2, а, пропорциональна энергии, потребляемой двухскоростным электродвигателем за год при его работе на обмотке ВС, питании от преобразователя частоты и, соответственно, регулировании производительности ДВ изменением скорости вращения. Расчет-

Рис. 2. Характеристики дутьевого вентилятора и магистрали (а) и относительная мощность, потребляемая ДВ (б) при работе двигателя на обмотке ВС с дроссельным и частотным регулированием производительности

Таблица 1

Энергетические характеристики электропривода при работе двигателя на обмотке ВС при дроссельном и частотном регулировании производительности

Параметр Относительная величина Q* 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 1,0 * ср * др 0,69 0,74 0,79 0,84 0,88 0,91 0,94 0,97 0,99 1,0 1,0 0,89 ∗ Рчр 0,13 0,17 0,22 0,27 0,34 0,42 0,51 0,61 0,73 0,86 1,0 0,48 ∗ экон 0,56 0,58 0,58 0,56 0,54 0,49 0,43 0,35 0,26 0,14 0 0,41 ные значения относительной мощности Рч∗р для указанного режима приведены в строке 3 табл. 1. Зависимость относительной мощности, потребляемой двигателем, представлена в виде графика 2 на рис. 2, б. Средняя относительная мощность при равномерной загрузке котла Рч∗р.ср = 0,48, т. е. снижается на 46 %.

Площадь контура ecae на рис. 2, а пропорциональна энергии, сэкономленной за год при работе электродвигателя на обмотке ВС при питании от ПЧ во всем диапазоне изменения производительности. Расчетные данные сэкономленной относительной

∗ мощности Рэкон для указанного режима приведены в строке 4 табл. 1 и в виде графика 3 на рис. 2, б.

На рис. 3, а представлены в относительных единицах естественные и искусственные напорные характеристики магистрали и дутьевого вентилятора при переключении обмоток двигателя. Графики 1–5 подобны аналогичным графикам, приведенным на рис. 2, а, график 6 – искусственная напорная характеристика магистрали для kМ = 2,86 при Q* = 0,5. Как и в предыдущем случае, эти графики необходимы для расчета относительной мощности при различных способах регулирования производительности. При анализе принимается, что полгода (в зимний период) двигатель работает на обмотке ВС с дроссельным либо частотным регулированием производительности ДВ, следующие полгода (в летний период) – на обмотке НС только с дроссельным регулированием.

Площадь контура nbakn на рис. 3, а пропорциональна энергии, которую потребляет двухскоростной электродвигатель, работая от сети на обмотке ВС в диапазоне изменения производительности ДВ от 0,75 до 1,0 при ее регулировании методом дросселирования. Площадь контура ndakn пропорциональна энергии, потребляемой электродвигателем в указанном диапазоне при питании обмотки ВС от преобразователя частоты. Площадь контура dbad пропорциональна энергии, сэкономленной в этом режиме работы двигателя.

Потребление мощности в этом случае характеризуется графиками 1–3, представленными на рис. 3, б. Они аналогичны графикам на рис. 2, б и построены по фрагментам строк табл. 1 для соответствующих способов регулирования в диапазонах 0,5 ≤ Q ^∗ ≤ 0,75и 0,75 ≤ Q ^∗ ≤ 1,0.

Рис. 3. Характеристики дутьевого вентилятора и магистрали (а) и относительная мощность, потребляемая ДВ (б), с дроссельным либо частотным регулированием производительности при питании от обмотки НС в диапазоне 0,5 ≤ Q ^∗ ≤ 0,75 , и от обмотки ВС в диапазоне 0,75 ≤ Q ^∗ ≤ 1,0

Зависимость относительной мощности Р ^*_др.нс , потребляемой двухскоростным электродвигателем при работе на обмотке НС в диапазоне 0,5 ≤ Q ^∗ ≤ 0,75 , в режиме регулирования производительности ДВ методом дросселирования приведена на рис. 3, б в виде графика 6. График 4 характеризует зависимость сэкономленной относительной мощности Р ^*_экон при переключении электродвигателя с обмотки ВС (прерывистая линия на графике 1) на обмотку НС при дроссельном регулировании. Средняя экономия относительной мощности Р _с ^* _{р.экон.1} = 0,41 , что составляет 51 % потребляемой мощности. Средняя экономия относительной мощности в диапазоне 0,75 ≤ Q ^∗ ≤ 1,0 при переходе от дроссельного регулирования к частотному снижается на 29 % и составляет Р ср.экон.2 = 0,28 .

График 5 представляет собой зависимость относительной мощности Р*экон , сэкономленной при переключении ПЧ на обмотку НС в диапазоне производительности   0,5 ≤ Q∗ ≤ 0,75 . Средняя экономия относительной мощности в этом случае Р*      = 0,14 , что составляет 35 % от относи- ср.экон.3

тельной мощности, потребляемой двухскоростным электродвигателем из сети на обмотке НС в режиме регулирования производительности ДВ методом дросселирования.

В табл. 2 представлены средние относительные мощности при дроссельном Рд∗р.ср (первый вариант) и частотном Рч∗р.ср (второй вариант) регулировании производительности на обмотке ВС в диапазоне 0,5 ≤ Q∗ ≤ 1,0 . Приведена средняя относительная мощность при дроссельном Рд**р.ср (третий вариант) регулировании производительности на обмотках ВС и НС. Также приведена средняя мощность Рч∗р-др.ср при дроссельном регулиро- вании в диапазоне 0,5 ≤ Q∗ ≤ 0,75 и при питании от ПЧ на обмотке НС (четвертый вариант регулирования). Показано снижение относительных мощностей при сравнении данных вариантов.

Средняя экономия относительной мощности для третьего варианта Р*ср.экон = 0,2 , что составляет 22 % относительной мощности, потребляемой двигателем из сети в режиме регулирования производительности ДВ методом дросселирования ( Рс∗р. ∑ = 0,89). Средняя экономия относительной мощности при сравнении первого и второго вариантов Р*    = 0,41 , что составляет 46 % относи- экон.1

тельной мощности, потребляемой двигателем из сети в режиме регулирования производительности ДВ методом дросселирования ( Р _с ^∗ _{р. ∑} = 0,89). Средняя экономия относительной мощности при сравнении первого и третьего вариантов Р ^* _экон.2 = 0,13 , что составляет 15 % относительной мощности, потребляемой двигателем из сети в режиме регулирования производительности ДВ методом дросселирования. Средняя экономия относительной мощности для четвертого варианта Р ^* _{ср.экон.3} = 0,14 , что составляет 35 % относительной мощности.

В работе [12] для аналогичных режимов работы дутьевого вентилятора экономия относительной мощности оценена в 49 %, поскольку учитывались изменения коэффициентов полезного действия. Разница (46 и 49 %) составляет 3 % и не превышает погрешность, допустимую при оценочных расчетах. Следовательно, принятые допущения, что к.п.д. указанных выше звеньев ДВ остаются неизменными и их влияние можно не учитывать, являются правомерными.

Данные, представленные в табл. 2, получены без учета к.п.д. дутьевого вентилятора. Вместе с тем следует учитывать, что величина к.п.д. для тягодутьевых механизмов котлов имеет относительно невысокую величину и, кроме того, не является постоянной, так как зависит от нагрузки механизма. Так, согласно паспортным данным,

Таблица 2

Относительная мощность, потребляемая ДВ при различных способах регулирования производительности на обмотках ВС и НС

Средняя мощность	Обмотка ВС 0,75 ≤ Q ∗≤ 1,0		Обмотка НС 0,5 ≤ Q ∗ ≤ 0,75		∗ Р ср. ∑	Снижение мощности
	ДР	ПЧ	ДР	ПЧ		∗ экон.1	∗ экон.2	∗ экон.3
∗ др.ср	0,97	–	0,81 (вс)	–	0,89	0,41	–
∗ Р чр.ср	–	0,69	–	0,26 (вс)	0,48		0,13
** Р др.ср	0,97	–	0,40	–	0,69	0,20
∗ чр-др.cр	–	–	0,40	0,26	–	–	–	0,14

Электромеханические системы к.п.д. наиболее распространенных дутьевых вентиляторов типа ВД и ВДН составляет 0,6–0,7 [13]. ГОСТ 9725–82 определяет средневзвешенный к.п.д. вентиляторов в пределах 63 % при односкоростном электродвигателе, 73 % – при двухскоростном и 75 % – при плавном регулировании скорости вращения [14].

Известно, что к.п.д. асинхронного двигателя снижается при уменьшении скорости вращения, также снижается к.п.д. ПЧ при уменьшении частоты. Переключение на обмотку НС при скорости 0,75 ω _н обеспечивает повышение к.п.д. двигателя до номинального уровня ( η _АДн(НС) = 0,89), который при питании от обмотки НС ниже, чем при работе на обмотке ВС ( η _АДн(ВС) = 0, 91). Поэтому дать однозначную оценку влияния способа регулирования производительности на величину эквивалентного к.п.д. η _ЭКВ = η _АД η _ТМ η _маг η _ПЧ дутьевого вентилятора затруднительно. Необходим анализ потерь мощности с учетом изменения указанных составляющих к.п.д. ДВ.

С этой целью ниже сравниваются два способа подключения двухскоростного электродвигателя ДВ при частотном регулировании:

• 1.    Во всем диапазоне регулирования 0,5 ≤ Q ^∗ ≤ 1,0 двигатель работает на обмотке ВС и получает питание от преобразователя частоты (известный способ без переключения обмоток).

• 2.    При производительности 0,75 ≤ Q ^∗ ≤ 1,0 двигатель получает питание от ПЧ, работая на обмотке ВС, а в диапазоне 0,5 ≤ Q ^∗ ≤ 0,75 ПЧ переключается на обмотку НС (способ частотного регулирования с переключением обмоток).

В табл. 3 приведены значения относительной производительности Q ^∗ , расчетные значения относительной мощности Р _ч ^∗ _р для частотного регулирования производительности и к.п.д. звеньев ДВ [12]. Подключение двигателя осуществляется по первому способу. Коэффициент полезного действия турбомеханизма η_ТМ (непосредственно вентилятора и магистрали) во всем диапазоне принимается равным номинальному значению η ТМном = 0,82, так как трубопроводная арматура полностью открыта. Из работ [5, 12] известно, что к.п.д. двухскоростного электродвигателя η _АД на обмотке ВС при регулировании скорости в диапазоне от ω _н до

Изменения к.п.д. отдельных звеньев ДВ при регулировании производительности по первому способу (работа на обмотке ВС)

Таблица 3

Параметр	Относительная величина						Средняя величина
Q*	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0
∗ Р чр	0,13	0,22	0,34	0,51	0,73	1,0	0,51
η ТМ	0,82	0,82	0,82	0,82	0,82	0,82	0,82
η АД(ВС)	0,87	0,877	0,884	0,892	0,9	0,91	0,89
η ПЧ	0,92	0,925	0,931	0,937	0,944	0,95	0,93
η ЭКВ	0,656	0,665	0,675	0,686	0,697	0,71	0,68
Р чр1	0,198	0,331	0,504	0,743	1,047	1,408	0,71

Таблица 4

Изменения к.п.д. звеньев ДВ при регулировании производительности по второму способу (работа с переключением обмоток)

Параметр	Относительная величина						Средняя величина
Q*	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0
∗ Р чр	0,13	0,22	0,34	0,51	0,73	1,0	0,51
η ТМ	0,82	0,82	0,82	0,82	0,82	0,82	0,82
η АД(НС)	0,868	0,877	0,886	–	–	–	0,89
η АД(ВС)	–	–	–	0,892	0,9	0,91
η ПЧ	0,934	0,941	0,947	0,937	0,944	0,95	0,94
η ЭКВ	0,664	0,676	0,688	0,686	0,697	0,71	0,69
Р* чр2	0,196	0,325	0,494	0,743	1,047	1,408	0,70

а)                                                                    б)

Рис. 4. Зависимости к.п.д. от производительности при подключении двигателя по первому (а) и второму (б) способам

0,5 ω н (вниз) изменяется от номинального значения η АД(ВС)ном = 0,91 до 0,96η АДн(ВС) = 0,87, т. е. примерно на 4,4 %. Аналогично к.п.д. преобразователя частоты η _ПЧ изменяется от 0,95 до 0,92 (на 3,2 %). На рис. 4, а показаны графики к.п.д. механизмов, построенные по данным табл. 3.

Аналогичные значения к.п.д. и потребляемой мощности при подключении двигателя по второму варианту представлены в табл. 4 и на графиках рис. 4, б. Расчеты показали, что к моменту переключения электродвигателя с обмотки ВС на обмотку НС при Q^* =0,75 его к.п.д. снизился до 0,975η_А Д( _ВС ) _ном = 0,88. После включения обмотки НС к.п.д. двигателя становится равным номинальному значению на обмотке НС, который ниже, чем к.п.д. на обмотке ВС (как отмечалось выше, для номинальных режимов работы к.п.д. электродвигателя на обмотке ВС η АД(ВС)ном = 0,91, на обмотке НС – η АД(НС)ном = 0,89).

Таким образом, сравнение рассмотренных способов позволяет сделать вывод о незначительной разнице эквивалентных к.п.д. (0,68 и 0,69) и соответственно величин среднего потребления мощности (0,71 и 0,7). Средняя расчетная экономия относительной мощности при переходе от дроссельного регулирования производительности ( Р _с ^∗ _{р. ∑} = 0,89) к частотному ( Р _с ^∗ _{р. ∑} = 0,48) составляет около 46 %.

При номинальной мощности двигателя 250 кВт среднее снижение мощности составляет 115 кВт. Если принять, что двухскоростной двигатель работает непрерывно в течение года (8 тыс. ч), экономия электрической энергии составит 920 тыс. кВт ⋅ ч/год. Очевидно, что реальная экономия будет ниже, так как здесь не учитываются остановки котла, которые происходят в основном в летний период.

Переключение обмоток двухскоростного электродвигателя при питании от преобразователя частоты позволяет продлить срок службы дорогостоящего электрооборудования (двухскоростного электродвигателя и преобразователя частоты). Технико-экономический эффект обеспечивается за счет ресурсосбережения и повышения надежности тягодутьевых механизмов при сохранении показателей энергопотребления.

Поскольку все представленные выше выкладки выполнены в относительных единицах, сделанные выводы могут быть распространены на электроприводы дымососа и других агрегатов с двухскоростным электродвигателем и частотным регулированием скорости.

Выводы

• 1.    Предложены способ и устройство регулирования производительности тягодутьевых механизмов на основе сочетания частотного регулирования с переключением ПЧ на обмотки ВС либо НС двухскоростного электродвигателя и дроссельного регулирования в диапазонах скоростей, близких к их номинальным значениям.

• 2.    Дана оценка снижения потребления мощности при переходе от дроссельного на частотное регулирование производительности дутьевого вентилятора во всем диапазоне регулирования производительности. Средняя относительная мощность при равномерной нагрузке котла снижается на 46 %.

• 3.    В диапазоне регулирования производительности от 0,5 номинальной до номинальной предложено осуществлять переключение преобразователя частоты на обмотку низкой скорости. При сохранении энергетических характеристик это обеспечит улучшение условий эксплуатации электродвигателя, меньший диапазон регулирования частоты (менее зарегулированный режим работы ПЧ), повышение эквивалентного к.п.д. дутьевого вентилятора.

• 4.    Переключение обмоток двухскоростного электродвигателя при питании от преобразователя частоты позволяет продлить срок службы дорогостоящего электрооборудования, обеспечивает эффект за счет ресурсосбережения и повышения надежности тягодутьевых механизмов котла.

• 5.    Предложенные технические решения и разработанная методика оценки энергоэффективности дутьевого вентилятора могут быть применены для аналогичных электроустановок с двухскоростным частотно-регулируемым электроприводом.