Расчет окупаемости частотного преобразователя
Вне всякого сомнения, частотные преобразователи являются крайне полезными устройствами, но не всегда их применение может быть экономически оправдано из-за сравнительно больших затрат на их приобретение. Кроме того, не всегда имеющийся электропривод можно просто и быстро (как уверяет реклама) дооснастить частотным преобразователем. Попробуем разобраться, с какими сложностями можно столкнуться при попытке оснастить преобразователем частоты имеющийся привод с асинхронным электродвигателем переменного тока, а также оценить перспективы окупаемости вложений. Но сначала несколько слов о существующих методах пуска асинхронных двигателей, чтобы понять в чем, собственно, преимущества частотно-регулируемого привода.
Можно выделить четыре метода пуска асинхронных двигателей переменного тока:
Прямое включение обычно применяется для электродвигателей мощностью не более 10 кВт. Это наиболее простой способ, но и наименее эффективный в плане управления ускорением, моментом на валу двигателя и защиты двигателя от перегрузок в целом. Кроме того, пусковые токи при прямом включении двигателя в 5-7 раз превышают номинальные значения. Работа двигателя с частотным преобразователем наиболее эффективна, как в плане защиты двигателя, управления ускорением и моментом, так и в плане экономии электрической энергии. Более детальное сравнение этих двух основных методов приводиться в таблице:
Безусловно, с технической точки зрения частотно-регулируемый привод предпочтительнее прямого включения электродвигателя. Но насколько экономически целесообразно его применение и какими будут сроки окупаемости ЧРП в каждом конкретном случае?
В большинстве случаев период окупаемости ПЧ определяется как отношение затрат, связанных с приобретением частотного преобразователя к сумме экономии электроэнергии после его установки. Обычно величину экономии принимают равной 20-40% от паспортной мощности двигателя привода, а к затратам относят только стоимость собственно самого частотного преобразователя из расчета, что каждый 1 кВт мощности ПЧ обойдется примерно в 100 долларов. Именно по такому алгоритму работает большинство on-line калькуляторов на сайтах поставщиков данного оборудования.
В некоторых случаях к факторам снижающим затраты и повышающим эффективность внедрения ПЧ относят также:
где Э - экономия денежных средств, руб; Рпч - мощность преобразователя частоты, кВт; Ч - среднее количество часов работы привода в день, ч; Д - число дней в отчетном периоде (обычно принимают равным 30 или 365 чтобы вычислить экономию за месяц или за год соответственно); К - коэфффициент, показывающий ожидаемый процент уменьшения потребляемой двигателем мощности, %; Т - тариф на электроэнергию, руб/кВт*ч.
Период окупаемости частотного преобразователя вычисляется как отношение затрат на приобретение ПЧ к полученной экономии денежных средств. Расчетный период окупаемости затрат на дооснащение привода частотным преобразователем при этом составляет от 3 месяцев до 2,5 лет в зависимости от мощности привода. Не будем сейчас говорить о том, насколько подобные расчеты точны. Лучше выделим ключевые моменты, по которым можно судить о целесообразности внедрения частотного привода как инструмента для экономии энергоресурсов.
Установка частотного преобразователя с целью экономии энергоресурсов будет наиболее эффективна в случаях:
Что за искажения создает ПЧ, из-за чего они возникают и можно ли уменьшить их уровень? Гармонические искажения создаются самим преобразователем частоты ввиду особенностей его конструкции и принципа действия. Выпрямитель преобразователя частоты создает пульсирующее напряжение постоянного тока. При каждом пике этого напряжения происходит заряд конденсатора в промежуточной цепи постоянного тока. Во время заряда этого конденсатора возникают входные токи со сравнительно большой амплитудой. Ввиду такой несинусоидальной нагрузки происходит искажение синусоиды напряжения питания, причем степень искажения зависит как от величины токовой нагрузки, так и от импеданса сети. Возникающие при этом помехи сети питания представляют собой высокачастотные составляющие - гармоники (обычно 3,5,7 и 9 гармоники) основной частоты питающего напряжения (50 Гц). Общее содержание гармоник называется суммарным коэффициентом гармоник (THDi).
Отклонение формы выходного напряжения и тока ПЧ от чисто синусоидальной (появление гармоник) и является основным фактором удорожания и усложнения конструкции частотно-регулируемого привода. Ведь данные гармонические составляющие оказывают негативное влияние, как на электрический двигатель, так и на всю сеть электроснабжения в целом и с ними приходиться бороться. Уменьшение значения уровня THDi обеспечивается различными усовершенствованиями конструкции ПЧ (усложнением) и применением дополнительных внешних фильтрующих и компенсирующих элементов.
Как видно из представленной диаграммы (данные компании Schneider Electric) снижение уровня THDi до уровня 5-10% приводит к увеличению стоимости (а значит и периода окупаемости) частотно-регулируемого привода в 2-2,5 раза. Применение бесконденсаторной технологии построения ПЧ конечно позволяет несколько снизить стоимость привода с одновременным снижением уровня THDi, но ПЧ выполненные по данной технологии нельзя применять в ответственных случаях (рекомендуется применять только для управления двигателями насосов и вентиляторов малой мощности).
Распространенное мнение, что подключение двигателя к частотному преобразователю и его последующая работа на пониженных оборотах существенно облегчает режим работы этого двигателя ошибочно. Гармоники есть также в выходном напряжении инвертера, и они негативно влияют на привод. Гармоники вызывают шумы и дополнительные потери в двигателе, уменьшают общий КПД частотно-регулируемого привода. Когда двигатель подключен к ПЧ и работает на пониженных оборотах, его температура может существенно вырасти, что может привести к выходу двигателя из строя. На рост температуры двигателя при работе от ПЧ влияют два основных фактора:
На малых скоростях встроенный вентилятор электродвигателя не способен подавать достаточно воздуха для охлаждения. Эта проблема возникает, если нагрузочный момент постоянен во всем диапазоне регулирования. Недостаточный уровень охлаждения определяет уровень крутящего момента, допустимый при нагрузках в продолжительном режиме работы. Если двигатель работает непрерывно при номинальном моменте на скорости, которая меньше половины номинальной скорости, двигателю требуется дополнительное принудительное охлаждение. Другой вариант решения данной проблемы - уменьшение коэффициента нагрузки электродвигателя путем выбора более мощного электродвигателя. Но оба эти варианта требуют дополнительных расходов, а значит, увеличивают период окупаемости ЧРП.
Если ток электродвигателя имеет несинусоидальную форму, то электродвигатель нельзя подвергать полной нагрузке, поскольку в нем будут протекать токи гармонических составляющих, которые повышают его температуру. Количество выделяемой теплоты определяется амплитудами токов гармонических составляющих. Из-за несинусоидальности питающего тока при работе двигателя от ПЧ могут возникать механические, а, при определенных условиях, и электрические резонансы. Механический резонанс обычно возникает из-за воздействия низкочастотных токовых гармоник, и в результате при определенных скоростях может возникнуть маятниковый момент. Электрический резонанс появляется потому, что конденсаторы, сопротивления обмоток двигателя и индуктивности в электрической системе, образуют резонирующий контур способный к самогенерации. Колебания тока в результате этого резонанса приводят к колебаниям скорости двигателя.
Этот феномен особенно характерен в случаях когда:
Поскольку двигатели с большей мощностью имеют меньшее активное сопротивление и лучший КПД, чем маленькие двигатели, они более предрасположены к вибрациям. Асинхронные двигатели менее предрасположены к вибрациям, чем двигатели другого типа.
К конструкции двигателя, работающего с преобразователем частоты, предъявляется ряд требований. Так стандарт МЭК 34-17 "Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, питаемые от преобразователей частоты" предполагает наличие дополнительных проверок, призванных исключить негативное воздействие на двигатель, питание которого осуществляется от частотного преобразователя. Двигатели для работы с частотными преобразователями должны иметь изолированный подшипник (для исключения возможных токов утечек и биений из-за несинусоидальности тока) и усиленную электрическую изоляцию обмоток для защиты от перенапряжений, вызванных ШИМ-модуляцией.
Довольно часто применением специализированных электродвигателей для ЧРП пренебрегают. Это происходит, в том числе, и из-за неверного информирования заказчика относительно требований к применяемому совместно с ПЧ электродвигателю. Электродвигатели для ЧРП это, как правило, импортные двигатели (отечественные двигатели для работы с ПЧ выпускается ограниченным количеством производителей) - более технологичные и имеющие лучшую внутреннюю межвитковую изоляцию по сравнению с электродвигателями обычного исполнения. При этом стоимость таких двигателей минимум на 5-10% выше стоимости обычного двигателя иностранного производства.
Поэтому не всегда от внедрения ПЧ стоит ожидать увеличения срока службы двигателя и снижения затрат на его обслуживание - в некоторых случаях может наблюдаться обратный эффект, зачастую связанный и с не оптимальной настройкой частотного преобразователя.
Постоянно растущие тарифы на электрическую энергию и ужесточающееся законодательство в сфере энергосбережения вынуждают руководителей предприятий искать пути снижения энергопотребления. В промышленности значительная часть потребления электрической энергии приходиться на вентиляторные, насосные, и компрессорные установки, конвейеры, подъемные механизмы, электроприводы технологических установок и станков. Данные механизмы чаще всего приводятся в действие асинхронными двигателями переменного тока. Крупнейшие мировые производители электротехнического оборудования предлагают специализированные устройства для управления асинхронными двигателями, которые, по заверениям их производителей, помимо всего прочего обеспечивают экономию электрической энергии до 50% (для насосных установок) или даже до 70% (для вентиляторных установок)! Называются данные устройства преобразователями частоты, частотными преобразователями, инверторами или просто ПЧ. 
Методы пуска асинхронных двигателей переменного тока
Можно выделить четыре метода пуска асинхронных двигателей переменного тока:
- прямое включение;
- включение с переключением со звезды на треугольник;
- включение с устройством плавного пуска;
- включение с частотным преобразователем.
Прямое включение обычно применяется для электродвигателей мощностью не более 10 кВт. Это наиболее простой способ, но и наименее эффективный в плане управления ускорением, моментом на валу двигателя и защиты двигателя от перегрузок в целом. Кроме того, пусковые токи при прямом включении двигателя в 5-7 раз превышают номинальные значения. Работа двигателя с частотным преобразователем наиболее эффективна, как в плане защиты двигателя, управления ускорением и моментом, так и в плане экономии электрической энергии. Более детальное сравнение этих двух основных методов приводиться в таблице:
Безусловно, с технической точки зрения частотно-регулируемый привод предпочтительнее прямого включения электродвигателя. Но насколько экономически целесообразно его применение и какими будут сроки окупаемости ЧРП в каждом конкретном случае?
Экономическое обоснование эффективности внедрения преобразователей частоты
В большинстве случаев период окупаемости ПЧ определяется как отношение затрат, связанных с приобретением частотного преобразователя к сумме экономии электроэнергии после его установки. Обычно величину экономии принимают равной 20-40% от паспортной мощности двигателя привода, а к затратам относят только стоимость собственно самого частотного преобразователя из расчета, что каждый 1 кВт мощности ПЧ обойдется примерно в 100 долларов. Именно по такому алгоритму работает большинство on-line калькуляторов на сайтах поставщиков данного оборудования.
В некоторых случаях к факторам снижающим затраты и повышающим эффективность внедрения ПЧ относят также:
- аснижение зтрат на текущее обслуживание привода;
- увеличение ресурса электродвигателя.
где Э - экономия денежных средств, руб; Рпч - мощность преобразователя частоты, кВт; Ч - среднее количество часов работы привода в день, ч; Д - число дней в отчетном периоде (обычно принимают равным 30 или 365 чтобы вычислить экономию за месяц или за год соответственно); К - коэфффициент, показывающий ожидаемый процент уменьшения потребляемой двигателем мощности, %; Т - тариф на электроэнергию, руб/кВт*ч.
Период окупаемости частотного преобразователя вычисляется как отношение затрат на приобретение ПЧ к полученной экономии денежных средств. Расчетный период окупаемости затрат на дооснащение привода частотным преобразователем при этом составляет от 3 месяцев до 2,5 лет в зависимости от мощности привода. Не будем сейчас говорить о том, насколько подобные расчеты точны. Лучше выделим ключевые моменты, по которым можно судить о целесообразности внедрения частотного привода как инструмента для экономии энергоресурсов.
Установка частотного преобразователя с целью экономии энергоресурсов будет наиболее эффективна в случаях:
- электродвигатель имеет большую потребляемую мощность (на электродвигателе мощностью 1 кВт много не сэкономишь);
- электродвигатель работает практически непрерывно - 24 часа в день, 365 дней в году (на электродвигателе, даже большой мощности, который работает 1 час в день много не сэкономишь);
- механизм (электродвигатель+рабочее колесо насоса или вентилятора) работают не эффективно и его производительность избыточна, так как создаваемый поток воздуха или жидкости "зажимается" с помощью заслонок или задвижек на выходе установки (если заслонки и задвижки открыты на полную, то установка избыточной работы скорее всего не выполняет и уменьшать ее производительность нельзя);
- тарифы на электроэнергию высоки (при дешевой электроэнергии экономить ее не так выгодно);
Что за искажения создает ПЧ, из-за чего они возникают и можно ли уменьшить их уровень? Гармонические искажения создаются самим преобразователем частоты ввиду особенностей его конструкции и принципа действия. Выпрямитель преобразователя частоты создает пульсирующее напряжение постоянного тока. При каждом пике этого напряжения происходит заряд конденсатора в промежуточной цепи постоянного тока. Во время заряда этого конденсатора возникают входные токи со сравнительно большой амплитудой. Ввиду такой несинусоидальной нагрузки происходит искажение синусоиды напряжения питания, причем степень искажения зависит как от величины токовой нагрузки, так и от импеданса сети. Возникающие при этом помехи сети питания представляют собой высокачастотные составляющие - гармоники (обычно 3,5,7 и 9 гармоники) основной частоты питающего напряжения (50 Гц). Общее содержание гармоник называется суммарным коэффициентом гармоник (THDi).
Отклонение формы выходного напряжения и тока ПЧ от чисто синусоидальной (появление гармоник) и является основным фактором удорожания и усложнения конструкции частотно-регулируемого привода. Ведь данные гармонические составляющие оказывают негативное влияние, как на электрический двигатель, так и на всю сеть электроснабжения в целом и с ними приходиться бороться. Уменьшение значения уровня THDi обеспечивается различными усовершенствованиями конструкции ПЧ (усложнением) и применением дополнительных внешних фильтрующих и компенсирующих элементов.
Как видно из представленной диаграммы (данные компании Schneider Electric) снижение уровня THDi до уровня 5-10% приводит к увеличению стоимости (а значит и периода окупаемости) частотно-регулируемого привода в 2-2,5 раза. Применение бесконденсаторной технологии построения ПЧ конечно позволяет несколько снизить стоимость привода с одновременным снижением уровня THDi, но ПЧ выполненные по данной технологии нельзя применять в ответственных случаях (рекомендуется применять только для управления двигателями насосов и вентиляторов малой мощности).
Особенности работы электрического двигателя с преобразователем частоты
Распространенное мнение, что подключение двигателя к частотному преобразователю и его последующая работа на пониженных оборотах существенно облегчает режим работы этого двигателя ошибочно. Гармоники есть также в выходном напряжении инвертера, и они негативно влияют на привод. Гармоники вызывают шумы и дополнительные потери в двигателе, уменьшают общий КПД частотно-регулируемого привода. Когда двигатель подключен к ПЧ и работает на пониженных оборотах, его температура может существенно вырасти, что может привести к выходу двигателя из строя. На рост температуры двигателя при работе от ПЧ влияют два основных фактора:
- при уменьшении скорости вращения вала двигателя уменьшается скорость вращения встроенной в двигатель крыльчатки охлаждения, из-за этого уменьшается объем охлаждающего воздуха, и температура двигателя начинает расти;
- при несинусоидальности питающего тока и большой мощности гармоник выделяется больше тепла в обмотках двигателя (из-за индуктивного сопротивления) и пластинах статора (из-за вихревых токов).
На малых скоростях встроенный вентилятор электродвигателя не способен подавать достаточно воздуха для охлаждения. Эта проблема возникает, если нагрузочный момент постоянен во всем диапазоне регулирования. Недостаточный уровень охлаждения определяет уровень крутящего момента, допустимый при нагрузках в продолжительном режиме работы. Если двигатель работает непрерывно при номинальном моменте на скорости, которая меньше половины номинальной скорости, двигателю требуется дополнительное принудительное охлаждение. Другой вариант решения данной проблемы - уменьшение коэффициента нагрузки электродвигателя путем выбора более мощного электродвигателя. Но оба эти варианта требуют дополнительных расходов, а значит, увеличивают период окупаемости ЧРП.
Если ток электродвигателя имеет несинусоидальную форму, то электродвигатель нельзя подвергать полной нагрузке, поскольку в нем будут протекать токи гармонических составляющих, которые повышают его температуру. Количество выделяемой теплоты определяется амплитудами токов гармонических составляющих. Из-за несинусоидальности питающего тока при работе двигателя от ПЧ могут возникать механические, а, при определенных условиях, и электрические резонансы. Механический резонанс обычно возникает из-за воздействия низкочастотных токовых гармоник, и в результате при определенных скоростях может возникнуть маятниковый момент. Электрический резонанс появляется потому, что конденсаторы, сопротивления обмоток двигателя и индуктивности в электрической системе, образуют резонирующий контур способный к самогенерации. Колебания тока в результате этого резонанса приводят к колебаниям скорости двигателя.
Этот феномен особенно характерен в случаях когда:
- момент инерции привода, приведенный к валу двигателя мал (малое механическое демпфирование);
- двигатель на холостом ходе или нагрузка двигателя мала (нет скольжения - меньшее активное сопротивление двигателя - малый электрический демпфер);
- двигатель имеет хороший КПД (малые активные сопротивления статора и ротора - малый электрический демпфер).
Поскольку двигатели с большей мощностью имеют меньшее активное сопротивление и лучший КПД, чем маленькие двигатели, они более предрасположены к вибрациям. Асинхронные двигатели менее предрасположены к вибрациям, чем двигатели другого типа.
К конструкции двигателя, работающего с преобразователем частоты, предъявляется ряд требований. Так стандарт МЭК 34-17 "Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, питаемые от преобразователей частоты" предполагает наличие дополнительных проверок, призванных исключить негативное воздействие на двигатель, питание которого осуществляется от частотного преобразователя. Двигатели для работы с частотными преобразователями должны иметь изолированный подшипник (для исключения возможных токов утечек и биений из-за несинусоидальности тока) и усиленную электрическую изоляцию обмоток для защиты от перенапряжений, вызванных ШИМ-модуляцией.
Довольно часто применением специализированных электродвигателей для ЧРП пренебрегают. Это происходит, в том числе, и из-за неверного информирования заказчика относительно требований к применяемому совместно с ПЧ электродвигателю. Электродвигатели для ЧРП это, как правило, импортные двигатели (отечественные двигатели для работы с ПЧ выпускается ограниченным количеством производителей) - более технологичные и имеющие лучшую внутреннюю межвитковую изоляцию по сравнению с электродвигателями обычного исполнения. При этом стоимость таких двигателей минимум на 5-10% выше стоимости обычного двигателя иностранного производства.Поэтому не всегда от внедрения ПЧ стоит ожидать увеличения срока службы двигателя и снижения затрат на его обслуживание - в некоторых случаях может наблюдаться обратный эффект, зачастую связанный и с не оптимальной настройкой частотного преобразователя.
Технологии и методы измерения уровня
11-11-2018, 16:08, Статьи по КИПиА
Причины популярности аналогового интерфейса 4-20 мА
11-11-2018, 15:59, Статьи по КИПиА
Подключение датчиков с токовым выходом к вторичным приборам
10-11-2018, 20:33, Статьи по КИПиА
Имитация сигналов от датчиков с токовым выходом и датчиков термосопротивления
10-11-2018, 19:37, Статьи по КИПиА
Порядок калибровки нуля и чувствительности датчиков КИП
10-11-2018, 15:56, Статьи по КИПиА
Нет комментариев. Гость, не желаешь оставить первый комментарий?
Перед публикацией, советую ознакомится с правилами!
Комментарии
Новый адрес сайта
Влад,хорошая идея!ЗА
Новый адрес сайта
Сделайте ув файлах стол заказов.можно будет выкладывать программы и т.п
Теплотехнические измерения и приборы. В.П. Преображенский, 1978
Лучшая книга!
Датчик уровня Радон У
@Oleg да. Теплоприбор
Датчик уровня Радон У
Сейчас актуальны такие датчики?
Все комментарии..
Полный список последних комментариев
