POPRAWA EFEKTYWNOŚCI ENERGETYCZNEJ UKŁADU NAPĘDOWEGO Z SILNIKIEM INDUKCYJNYM ŚREDNIEGO NAPIĘCIA POPRZEZ JEGO ZASILANIE Z PRZEMIENNIKA CZĘSTOTLIWOŚCI

Transkrypt

1 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 73/5 49 Zbigniew Szulc, łodzimierz Koczara Politechnika arszawska, arszawa POPRAA EFEKTYNOŚCI ENERGETYCZNEJ UKŁADU NAPĘDOEGO Z SILNIKIEM INDUKCYJNYM ŚREDNIEGO NAPIĘCIA POPRZEZ JEGO ZASILANIE Z PRZEMIENNIKA CZĘSTOTLIOŚCI IMPROVING ENERGY EFFICENT OF DRIVE SYSTEM ITH MEDIUM VOLTAGE INDUCTION MOTOR BY USING FREQUENCY CONVERTER Abstract: The paper presents three types of drive systems with water pumps driven by squirrel cage motors. A comparison of energy efficent of this drives is given. The best energy efficent of drive system with squirrel cage motor controlled by frequency converter was proven. The mathematic analysis of this phenomena was based on real industry application.. stęp Jedną z najczęściej występujących w praktyce maszyn roboczych jest pompa wirowa. Dla dużej mocy takiej pompy (setki k i więcej) jest ona napędzana silnikiem indukcyjnym klatkowym średniego napięcia. Ze względu na wymagane właściwości technologiczne i ekonomiczne pompy, regulacja jej parametrów wyjściowych (ciśnienie, wydajność) powinna odbywać się poprzez sterowanie prędkością obrotową wirnika. Najczęściej, do końca ubiegłego wieku sterowanie odbywało się (i często jeszcze obecnie) przy pomocy sprzęgła hydrokinetycznego. Jeżeli zmiana parametrów technologicznych pompy nie wymaga dużej dynamiki stosuje się regulację dławieniem, godząc się na duże stary mocy. artykule rozpatrzono trzy typy układów napędowych tej samej pompy pracującej w pompowni wody sieciowej (tłoczącej wodę gorącą z elektrociepłowni do sieci miejskiej). Dla założonych wymagań technologicznych (zakres zmian wydajności pompy) i charakterystyki sieci miejskiej przebadano efektywność energetyczną omawianego układu dla przypadków: ) Pompa jest napędzana przez silnik indukcyjny klatkowy bezpośrednio zasilany z sieci energetycznej 6 kv a regulacja wydajności pompy odbywa się poprzez jej dławienie przez zawór (przepustnicę) na króćcu tłocznym. ) Regulacja wydajności pompy odbywa się przy pomocy sterowania prędkością obrotową jej wirnika z wykorzystaniem sprzęgła hydrokinetycznego napędzanego silnikiem indukcyjnym klatkowym średniego napięcia 6 kv. 3) Regulowana jest prędkość obrotowa silnika napędowego pompy przy pomocy przemiennika częstotliwości napięcia (PC) zasilanego z sieci 6 kv, dzięki czemu regulowana jest również wydajność. szystkie elementy układów i pompy są oparte o rzeczywiste obiekty pracujące w elektrociepłowniach krajowych. Podstawowe parametry układów są następujące: Pompa: Typ 4B6 ydajność znamionowa Q N = 3m 3 /h ysokość podnoszenia znamionowa H N =m Prędkości obrotowa znamionowa n N = 46 obr/min Silnik indukcyjny klatkowy: Typ Sh5H4D Moc P N = 5 k, Napięcie U N = 6V, I N = 39 A, n S = 5 obr/min, η N = 97,5 %, cosφ N =,89 Przemiennik częstotliwości średniego napięcia: Typ wielopoziomowy (7 poziomowy) Częstotliwość wyjściowa: 55Hz Napięcie wyjściowe: 6kV Pozostałe parametry dobrane do silnika i warunków zasilania z sieci energetycznej.

2 5 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 73/5 ymagany zakres regulacji wydajności wynosi od 8 m 3 /h do 6 m 3 /h, a charakterystyka sieci w postaci zależności wysokości podnoszenia (h r ) od wydajności (Q) podana została w postaci tabeli. Tabela Charakterystyka przepływowa sieci cieplnej Q [m 3 /h] h r [m] Do obliczeń mocy na wale pompy (P ) wykorzystano jej charakterystyki przepływowe i energetyczne dla zmiennych prędkości obrotowych wirnika.. Opis ilościowy efektywności energetycznej układów napędowych Do oceny ilościowej efektywności energetycznej rozpatrywanych układów napędowych zaproponowano dwa wskaźniki określające zużycie energii czynnej (k p ) i energii biernej (k q ) na przetłoczenie jednego m 3 wody gorącej do sieci miejskiej o danej charakterystyce (tabela ): : k p [kh/m 3 ] () k q [kvar/m 3 ] () k p = P η Q C η C sprawność całkowita układu napędowego k q = P tgϕ η Q C tgφ Z tangens kąta przesunięcia pomiędzy pierwszą harmoniczną napięcia i prądu pobieranych z sieci energetycznej Z (3) (4) Inną propozycją opisu ilościowego efektywności energetycznej układu napędowego jest wzięcie do rozważań następujących wielkości: η C tak jak poprzednio sprawność całkowita układu cosφ Z cosinus kąta przesunięcia według definicji powyżej k h współczynnik niesinusoidalności prądu zasilającego układ napędowy [] : I k h = (5) I + I h I wartość skuteczna pierwszej harmonicznej prądu zasilającego I h wartość skuteczna h-tej harmonicznej prądu zasilającego spółczynnik ten można wyrazić za pomocą znanego współczynnika THDI: k h = + ( THDI) (6) Zastosowanie takich wielkości (η C, cosφ Z, k h ) ma tę zaletę, że ich wartości są nie większe niż i mogą być stosowane jako bezwymiarowe. Autorzy proponują zastosować jeden współczynnik (k e ) efektywności energetycznej określony w następujący sposób: k e = η C cosφ Z k h (7) Dla dwóch pierwszych typów układów napędowych nie występują (teoretycznie) wyższe harmoniczne, stąd k h = (8) 3. yniki obliczeń i pomiarów Obliczenia dokonano opierając się na modelach energetycznych układów napędowych pomp i wentylatorów dużej mocy []. Dla pierwszego układu napędowego (regulacja parametrów pompy przez dławienie) uwzględniono sprawność przepustnicy (zaworu) (η Z ) dławiącego obliczoną jako stosunek wysokości podnoszenia przed i za przepustnicę. Stąd: η C = η M η Z (9) η M sprawność silnika Dla drugiego układu napędowego (ze sprzęgłem hydrokinetycznym) sprawność całkowita wynosi: η C = η M η SP ()

3 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 73/5 5 η SP sprawność sprzęgła hydrokinetycznego zależna od prędkości obrotowej Dla układu napędowego z PC wzięte do rozważań parametry wynoszą 6 kv PC PC PC3 η C = η PC η M () TR η PC sprawność przemiennika częstotliwości zależna od obciążenia PC6 PC7 Należy zaznaczyć, że do obliczeń η M w tym przypadku uwzględniono zależność strat w żelazie od częstotliwości oraz zależność strat mechanicznych od prędkości obrotowej. szystkie rozpatrywane układy napędowe można sprowadzić do schematu przedstawianego na rys.. U V M 3 n PC8 5k, 6kV, 5obr/min P c P q THD UR P M M 3 P Rys.. Schemat blokowy układu napędowego P Q p[mpa],q[m 3 /s] Rys. Schemat ideowo-blokowy zastosowanego przemiennika częstotliwości średniego napięcia Na rys. został przedstawiony schemat ideowo blokowy PC zastosowany w trzecim typie układu napędowego. yniki obliczeń zostały przedstawione na rys. 3, rys. 4 i rys. 5., kp [kh/m 3 ] kp,8 kp kp Rys. 3. Zależność zużycia energii czynnej na przetłoczenie m 3 wody od wydajności pompy. k p układ napędowy z silnikiem zasilanym bezpośrednio z sieci energetycznej, k p układ napędowy ze sprzęgłem hydrokinetycznym, k p3 układ napędowy z PC Q [m 3 /h]

4 5 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 73/5 k q [kvarh/m 3 ],7 k q,5 k q,3 kq3, Q [m 3 /h] Rys. 4. Zależność zużycia energii biernej na przetłoczenie m 3 wody od wydajności pompy. k q układ napędowy z silnikiem zasilanym bezpośrednio z sieci energetycznej, k q układ napędowy ze sprzęgłem hydrokinetycznym, k q3 układ napędowy z PC k e [ ],9,8 k e3,7,5 k e k e,3, Q [m 3/h] Rys. 5. Zależność współczynników k e, k e, k e3 od wydajności pompy. k e układ napędowy z silnikiem zasilanym bezpośrednio z sieci energetycznej, k e układ napędowy ze sprzęgłem hydrokinetycznym, k e3 układ napędowy z PC ke [ ],9,8 ke,7,5,3,,5,55 5,7,75,8,85,9,95 Q/QN Rys. 6. Zależność współczynnika k e od wydajności pompy wody zasilającej napędzanej układem napędowym z silnikiem k, 6kV sterowanym z PC

5 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 73/5 53 Na rys. 6 zostały przedstawione wyniki pomiarów współczynnika k e uzyskane przy badaniu układu napędowego pompy wody zasilającej [3]. Układ ten posiada identyczna strukturę tylko moc silnika jest większa i wynosi k. Również charakterystyka obciążenia hydraulicznego pompy różni się, chociaż w niewielkim stopniu od rozpatrywanej. 4. nioski Zaproponowany opis ilościowy do badania efektywności energetycznej układów napędowych pomp może być stosowany na etapie projektowania. ymaga wprawdzie znajomości cyfrowych modeli, ale daje wyniki pomagające podjąć decyzję o zestawieniu praktycznym konkretnego układu napędowego. Na podstawie uzyskanych charakterystyk można stwierdzić: ) Najlepszym układem napędowym dla rozpatrywanej pompy jest układ z PC ) Układ napędowy ze sprzęgłem hydrokinetycznym posiada lepsze parametry (wartości porównywalnych wskaźników) niż układ napędowy ze stałą prędkością obrotową pompy i dławieniem. 3) yniki pomiarów dostępnego układu napędowego, chociaż nieco innego, ale z tym samym typem PC potwierdzają poprawność proponowanej oceny ilościowej efektywności energetycznej. 4) Powyższe wnioski są powszechnie znane, ale przy innej charakterystyce obiektu zasilanego przez pompę nie są takie jednoznaczne. Zastosowanie proponowanych wskaźników ułatwia ocenę efektywności energetycznej 5) Autorzy artykułu mają zamiar przebadać przy pomocy proponowanej metody układy napędowe pomp i wentylatorów 6) Przedstawiona metoda może być przydatna przy wyborze układów napędowych różnych typów (z obwodami energoelektronicznymi i bez nich). 7) Powszechny dostęp do modeli cyfrowych układów napędowych umożliwia zastosowanie praktyczne omawianej metody. 5. Literatura []. Kuśmierek Z.: Pomiary mocy i energii w układach elektroenergetycznych. arszawa, NT 994 []. Koczara., Szulc Z.: Oszczędność energii w regulowanym energoelektronicznym napędzie prądu przemiennego dużej mocy średniego napięcia, Katowice, EENSE 3 [3]. Koczara., Szulc Z., Przybylski J.: Rozruch silnika indukcyjnego klatkowego napędzającego pompy dużej mocy w trudnych warunkach eksploatacyjnych. Katowice, PEMINE 5.