Способ учета электроэнергии в установках с регулируемым асинхронным электродвигателем и система для его реализации

Способ учета электроэнергии в установках с регулируемым асинхронным электродвигателем и система для его реализации

Реферат

Изобретение относится к области учета электрической энергии и может быть использовано на предприятиях для обеспечения контроля за её потреблением с целью опенки эффективности внедрения нового оборудования.

Известна система коммерческого учета электроэнергии на производственных предприятиях, содержащая внутризаводских потребителей электроэнергии, в том числе среди потребителей содержатся энергетические установки. Причем в системе содержатся устройства, учитывающие потребленную электроэнергию как в целом по всему предприятию, так и по отдельным внутризаводским потребителям. ( “Опыт организации внутризаводского учета расхода энергоносителей на базе оборудования КТС "Энергия"”, Чабаненко Ю.И., Абакумов Ю.М., Кожуховский Н.В., Промышленная энергетика. – 2003. - N 1. - С.12-17). В известной системе внутризаводской (технический) учет расхода энергоносителей, и в том числе электроэнергии, является способом учета, контроля и регулирования процесса потребления энергоресурсов. С этой целью устанавливают внутрицеховые приборы учета и анализируют внутризаводские расходы, в том числе потребляемой электроэнергии.

Кроме того, общеизвестна система учета электроэнергии, содержащая энергетическую установку, состоящую из асинхронного электродвигателя, рабочего агрегата, связанного с выходным валом электродвигателя, частотного регулятора, связанного по электрической цепи с электродвигателем и также содержащая устройство учета электроэнергии. В такой системе также учет ведется только по потребленной электроэнергии. Эффективность применения частотного регулятора в качестве средства энергосбережения в таких системах носит приблизительный характер.

Поскольку в известных системах учет сэкономленной электроэнергии не ведется, это не позволяет точно оценивать эффективность применения внедряемого оборудования.

Задачей изобретения является улучшение контроля за потребляемой электроэнергией за счёт учета её экономии, полученной от внедрения нового оборудования.

Поставленная задача решается способом учета электроэнергии в установках с регулируемым асинхронным электродвигателем, в котором измеряют текущие параметры электродвигателя и осуществляют учет потребляемой электроэнергии и в котором в отличие от прототипа формируют и сохраняют эталонные значения параметров электродвигателя и параметров рабочего тела или рабочего процесса, измеряют текущие значения параметров электродвигателя и/или параметров рабочего тела или рабочего процесса и сравнивают их с сохраненными эталонными значениями, а результат сравнения отображают и/или сохраняют как сэкономленную электроэнергию.

Кроме того, эталонные значения параметров составляют расчетным путем на основании паспортных данных рабочего агрегата и/или электродвигателя.

Кроме того, эталонные значения получают путем контрольных замеров параметров электродвигателя и/или рабочего тела или рабочего процесса.

Поставленная задача решается также системой учета электрической энергии в установках с регулируемым электродвигателем, содержащей асинхронный электродвигатель, с выходным валом которого связан рабочий агрегат, регулятор электродвигателя, связанный через электрическую цепь с электродвигателем, измеритель параметров электродвигателя и устройство учета электроэнергии, содержащее логический модуль и блок памяти, в которой в отличие от прототипа блок памяти содержит эталонные значения параметров электродвигателя и параметров рабочей среды или рабочего процесса, причем его выход связан с первым входом логического модуля, к другому входу которого подключен измеритель текущих параметров электродвигателя, а выход логического модуля соединен с устройством сбора и/или отображения данных.

Кроме того, регулятор электродвигателя представляет собой частотный регулятор, выполненный по принтщпу вольт-частотной характеристики регулирования.

Кроме того, регулятор электродвигателя представляет собой частотный регулятор, выполненный по принципу векторного регулирования.

Также регулятор электродвигателя представляет собой регулятор мощности без изменения частоты вращения, выполненный по принципу ограничения тока, потребляемого двигателем, до уровня достаточного для текущей нагрузки на выходном валу электродвигателя.

Кроме того, система содержит контрольно-измерительную аппаратуру, связанную с одной стороны с рабочим телом или рабочим процессом, с другой стороны связанную с третьим входом логического модуля.

Также рабочий агрегат представляет собой насос, или компрессор, или вентилятор, или дымосос, или лебедку подъемного механизма и т.п.

Кроме того, контрольно-измерительная аппаратура представляет собой расходомер жидкости или газа, и/или датчик давления, и/или датчик скорости потока жидкости или газа, и/или датчик числа оборотов и т.д.

Сравнение текущих значений параметров электродвигателя и/или рабочего тела или рабочего процесса с их эталонными значениями позволяет оперативно и точно осуществлять контроль и учёт сэкономленной электроэнергии. Возможность наглядно, в количественном выражении оценивать объем сэкономленной электроэнергии дает важное преимущество в условиях рыночного хозяйства, когда особую роль имеет функция контроля за всеми процессами, происходящими в производственном и технологическом циклах. Применение такого механизма контроля позволит предприятиям дополнительно повысить уровень и точность финансового планирования затрат и издержек, а значит, в итоге за счет снижения и оптимизации издержек повысить конкурентоспособность товаров и услуг. Кроме того, важным преимуществом предлагаемого изобретения является возможность более широкого внедрения регуляторов на предприятиях как средства эффективного энергосбережения за счет наглядной демонстрации сэкономленной электроэнергии.

Способ осуществляют следующим образом. Для определения эталонных значений параметров электродвигателя и параметров рабочего тела или рабочей среды, с которыми сравнивают согласно изобретению их текущие значения, запускают в работу установку, содержащую асинхронный электродвигатель и рабочий агрегат, без регулятора. Замеряют указанные параметры при изменении нагрузки на выходном валу электродвигателя от минимального до максимального значения. Данные, полученные в результате замеров, сохраняют в качестве “первого” эталона.

Для случаев, когда установка эксплуатируется без контрольно-измерительной аппаратуры, составляется “второй” эталон. Для этого запускают в работу установку, содержащую асинхронный электродвигатель и рабочий агрегат, с включенным регулятором. Так же, как при составлении “первого” эталона, изменяют величину нагрузки на выходной вал электродвигателя и делают замеры параметров рабочего тела или рабочего процесса и параметров электродвигателя. И так же данные, полученные в результате замеров, сохраняют в качестве “второго” эталона.

В случае, когда установка эксплуатируется с контрольно-измерительной аппаратурой, учет сэкономленной электроэнергии происходит следующим образом. Подключают регулятор электродвигателя и запускают установку в работу. Измеряют текущее значение параметров электродвигателя и параметров рабочего тела или рабочего процесса и направляют данные измеренных параметров для сравнения. Находят среди сохраненных в качестве “первого” эталона, значение параметра рабочего тела или рабочего процесса, равное измеренному текущему значению. Далее, для найденного таким образом эталонного значения параметра рабочего тела или рабочего процесса определяют соответствующее эталонное значение параметра электродвигателя, например мощности, и его сравнивают с измеренным текущим значением мощности электродвигателя. Результат сравнения отображают и/или сохраняют как величину сэкономленной электроэнергии.

Для случая, когда установка эксплуатируется без КИА, учет сэкономленной электроэнергии происходит следующим образом. Подключают регулятор электродвигателя и запускают установку в работу. Измеряют текущее значение параметров электродвигателя и направляют данные измеренных параметров для сравнения. Находят среди сохраненных в качестве “второго” эталона значения параметров электродвигателя, равные измеренным текущим значениям. Для найденных значений параметров электродвигателя определяют соответствующие значения параметров рабочего тела или рабочего процесса “второго” эталона. Далее для определенных таким образом значений параметров рабочего тела или рабочего процесса “второго” эталона находят равные значения параметров рабочего тела или рабочего процесса среди сохраненных в “первом” эталоне. И наконец, для найденных таким образом значений параметров рабочего тела или рабочего процесса “первого” эталона определяют соответствующие значения параметров электродвигателя “первого” эталона, например мощности, и его сравнивают с измеренным текущим значением мощности электродвигателя. Результат сравнения отображают и/или сохраняют как величину сэкономленной электроэнергии.

Существо изобретения поясняется чертежом, на котором изображена принципиальная схема системы учета сэкономленной электроэнергии в установках с регулируемым электродвигателем.

Система содержит асинхронный электрический двигатель 1. Система также содержит рабочий агрегат 2, связанный с одной стороны с выходным валом электродвигателя и предназначенный для выполнения определенного вида работы. Например, в качестве рабочего агрегата может быть насос для перекачивания жидкости, или компрессор для сжатия газа, или вентилятор для создания разряжения/нагнетания газа и т.д. С другой стороны рабочий агрегат связан и воздействует на рабочую среду или на рабочий процесс, например насос подсоединен к трубопроводам 3 и создает давление жидкости в гидравлической системе и обеспечивает перекачивание жидкости при наличии расхода. Кроме того, система содержит регулятор 4 электродвигателя, связанный по электрической цепи с электродвигателем и предназначенный для управления электродвигателем. Также система содержит контрольно-измерительную аппаратуру 5 (КИА), например датчик давления, и/или расходомер, и/или измеритель скорости потока рабочего тела или иную аппаратуру в зависимости от контролируемого параметра в рабочей среде или в рабочем процессе и, например, присоединенную к трубопроводу 3. Система содержит измеритель текущих параметров электродвигателя 6 (ИЗМ), связанный с электрической цепью электродвигателя. В системе также содержится устройство учета УУ 7 сэкономленной электроэнергии. Указанное УУ 7 содержит блок памяти 8 (БП), предназначенный для сохранения данных эталонных значений параметров электродвигателя и параметров рабочей среды или рабочего процесса, логический модуль 9 (ЛМ), предназначенный для сравнения данных текущих и эталонных значений параметров электрического двигателя и параметров рабочей среды или рабочего процесса и для вычисления значения сэкономленной электроэнергии, и устройство сбора и/или отображения данных 10 (УСО). Выход БП 8 связан с первым входом ЛМ 9, а вход связан с разъемом ввода данных 11. Соответственно, выход ЛМ 9 связан с входом УСО 10, второй и третий входы ЛМ 9 связаны соответственно с ИЗМ 6 и КИА 5.

Существуют различные варианты исполнения указанных блока памяти БП 8, логического модуля ЛМ 9 и УСО 10, широко известные и описанные в литературе (например, “Краткий справочник по электронике”, Грабовски Б., ISBN: 5-94074-222-Х, Издательство: ДМК, Франция, год издания: 2004, страниц 409). Например, в качестве ЛМ может быть использован программируемый микропроцессор, а в качестве БП может быть использован модуль внешней памяти, например семейства DataFIash. Кроме того, в качестве возможного варианта может быть использован микроконтроллер, выполненный с возможностью программирования и вычислений и с возможностью сохранения данных. УСО 10 также может быть исполнен в разнообразных вариантах, например может содержать жидкокристаллический дисплей для отображения данных о сэкономленной электроэнергии, счетчик для суммирования общего объема сэкономленной электроэнергии и устройство связи с возможностью передачи данных по сети связи в АСУ ТП предприятия.

Для описываемого случая ИЗМ 6 связан с электрической цепью электродвигателя 1 и предназначен для измерения текущего значения электрической мощности, потребляемой двигателем, но при этом следует отметить, что функции ИЗМ 6 могут быть более широкими, например отслеживание оборотов, крутящего момента вала электродвигателя и т.д.

Известны различные типы регуляторов асинхронных электродвигателей. Например, частотный преобразователь, работающий по характеристике U/f=const (U - напряжение, В; f - частота, Гц). Принцип работы и описание функциональных возможностей частотных регуляторов описан в литературе (“Основы силовой электроники”. Учебник. Часть 2. Автор: Зиновьев Г.С., издательство Новосибирского университета, 2000 год, стр.197), также описание различных моделей частотных преобразователей, их систем управления и функциональные возможности этих систем управления представлены в сети Интернет (http://www.mvert.ru/info.htm).

Также в качестве регулятора 4 электродвигателя может быть использован регулятор мощности асинхронного электродвигателя при постоянном значении частоты вращения выходного вала электродвигателя. Принцип действия регулятора мощности основан на том, что регулятор непрерывно оценивает величину нагрузки электродвигателя и определяет, когда двигатель потребляет больше энергии, чем требуется. Затем регулятор “вырезает” часть синусоиды подводимого к нему питания, чтобы подать на двигатель ровно столько энергии, сколько необходимо. Длительность “вырезанной” зоны обратно пропорциональна величине нагрузки электродвигателя. Ток, потребляемый двигателем, ограничивается до уровня, достаточного для текущей нагрузки, при этом потери энергии, пропорциональные I²R (I - сила тока, А; R - сопротивление, Ом), устраняются. (Например, производитель регуляторов мощности компания Flex Technologies,

Inc. 14173 Asher View Centreville, VA 20121 USA, адрес описания в сети Интернет: www.flextech.ru). Также следует добавить, что функции ИЗМ 6 могут быть реализованы в системе управления регулятора 4. И кроме того, логический модуль ЛМ 9 и блок памяти 8 могут быть также реализованы в системе управления регулятора 4.

Система работает следующим образом. Рассмотрим случай, когда в качестве регулятора 4 электродвигателя 1 применен частотный преобразователь. Электродвигатель 1 подключен к электрической сети предприятия. Выходной вал электродвигателя соединен с рабочим агрегатом 2, например, центробежным насосом через соединительную муфту. В качестве рабочего агрегата, как было указано выше, может рассматриваться любой другой агрегат. Таким образом, электродвигатель 1 приводит в действие рабочий агрегат 2 и совершает рабочий процесс. Перед тем как установить регулятор 4 частоты вращения электродвигателя 1, проводят контрольный замер требуемых параметров рабочего тела или рабочего процесса при постоянном значении оборотов электродвигателя 1. Целью проведения таких замеров является составление зависимости значений параметров электродвигателя 1 и значений параметров рабочего тела или рабочего процесса от минимального до максимального значения нагрузки на выходном валу электродвигателя 1 при его постоянном значении оборотов. Например в описываемом варианте, с помощью КИА 5 замеряется расход перекачиваемой жидкости. Возможны другие варианты, когда замеряется любой иной параметр, с помощью которого можно составить указанные выше зависимости. Например, для случая когда в качестве рабочего агрегата 2 является дымосос, в качестве параметра может рассматриваться расход сжигаемого топлива в горелках котельного оборудования. Или возможен, также, вариант, когда замеряется скорость течения перекачиваемой жидкости или газа и т.д.

Проведенные таким образом замеры составляют “первый” эталон зависимости потребляемой мощности электродвигателя 1 от значения расхода жидкости, причем зависимость может быть представлена, например, в виде функции G_{жидкость}=f(N_{мощность}), в сравнении с “первым” эталоном далее проводится учет сэкономленной электроэнергии. Следует добавить, что помимо проведения замеров действительных значений параметров возможен вариант установки в качестве эталона расчетных величин, например, полученных по результатам расчета на основании паспортных данных рабочего агрегата 2, либо в качестве эталона может использоваться номинальная мощность электродвигателя 1 как постоянная величина при любых значения параметров рабочего тела или рабочего процесса. Сформированные, как было указано выше, данные “первого” эталона записывают через разъем 11 и сохраняют в БП 8.

Далее электродвигатель 1 подключают к частотному регулятору 4. Для случаев, когда эксплуатация происходит без КИА 5, проводят замеры параметров с включенным частотным регулятором 4, и также составляется “второй” эталон зависимости потребляемой мощности электродвигателя от соответствующего параметра рабочего тела и от оборотов вала электродвигателя и/или от иного параметра, например величины крутящего момента вала электродвигателя. При этом также зависимость может быть.

Представлена в виде функции G_{жидкость}=F(N_{мощность}; n_{оборота электродвигателя}).

Сформированные данные “второго” эталона также сохраняют в БП 8.

По завершению составления эталонов, их записи и сохранения в БП 8, система готова к работе и работает следующим образом.

Электродвигатель 1 включают на электрическую сеть с частотным регулятором 4. С помощью ИЗМ 6 измеряют текущую потребляемую мощность. Далее возможны два случая эксплуатации установок. По первому КИА 5 есть и измеряет текущее значение параметров, например в описываемом сценарии текущее значение G_{жидкость}. Сигнал с данными измеренных значений расхода G_{жидкость} от КИА 5 и сигнал с данными текущего значения потребляемой мощности N_{мощность} от ИЗМ 6 поступают для обработки в ЛМ 9 с одной стороны, а с другой стороны по сигналу запроса из БП 8 в ЛМ 9 поступает сигнал с данными расхода G_{жидкость} и мощности N_{мощность} “первого” эталона. Поступившие значения сравниваются, а именно для текущего значения расхода жидкости сравнивают текущее и соответствующее эталонное значение направляют мощности электродвигателя 1. Сигнал с данными результата сравнения в УСО 10 для отображения и/или сбора и хранения значения сэкономленной энергии.

Во втором случае, когда установка эксплуатируется без КИА 5, посредством ИЗМ 6 измеряют текущие значения, например как было указано выше, обороты электродвигателя и потребляемую электрическую мощность. Так же, как в первом случае, с одной стороны в ЛМ 9 поступают данные измеренных текущих значений, а с другой стороны из БП 8 поступают данные эталонных значений. Поступившие значения сравниваются, а именно для измеренного текущего значения оборотов электродвигателя 1 определяют соответствующее эталонное значение расхода G_{жидкость}, далее для полученного таким образом значения расхода G_{жидкость} сравнивают текущее и эталонное значение мощности электродвигателя 1.

По другому возможному сценарию исполнения системы, когда в качестве регулятора 4 электродвигателя 1 применен регулятор мощности без изменения частоты вращения вала электродвигателя, система работает следующим образом. Так же электродвигатель 1 подключен к электрической сети предприятия. Выходной вал электродвигателя 1 соединен с рабочим агрегатом 2. Так же проводят контрольный замер требуемых параметров рабочего тела или рабочего процесса без подключенного регулятора 4 мощности. Так же, как и в первом сценарии, помимо проведения замеров действительных значений параметров возможен вариант установки в качестве эталона расчетных величин, например полученных по результатам расчета на основании паспортных данных рабочего агрегата 2, либо в качестве эталона может использоваться номинальная мощность электродвигателя 1 как постоянная величина при любых значениях параметров рабочего тела или рабочего процесса. Сформированные, как было указано выше, данные “первого” эталона записывают через разъем 11 и сохраняют в БП 8. Составляют “первый” эталон и сохраняют его в БП 8.

Далее электродвигатель 1 подключают к регулятору 4.

Для случаев, когда эксплуатация происходит без КИА 5, проводят замеры параметров с включенным регулятором 4 и составляют “второй” эталон зависимости потребляемой мощности электродвигателя от соответствующего параметра рабочего тела или рабочего процесса. При этом также зависимость может быть представлена в виде функции, например G_{жидкость}=f(N_{мощность с регулятором}). Сформированные данные “второго” эталона сохраняют в БП 8. По завершению составления указанных эталонов, их записи и сохранения в БП 8, система готова к работе и работает следующим образом.

Электродвигатель 1 включают в электрическую сеть с регулятором 4. С помощью ИЗМ 6 измеряют текущую потребляемую мощность. Далее возможны два случая. По первому КИА 5 есть и измеряет текущее значение параметров, например расход G_{жидкость}. Сигнал с данными измеренных значений расхода G_{жидкость} от КИА 5 и сигнал с данными текущего значения потребляемой мощности N_{мощность} от ИЗМ 6 поступают для обработки в ЛМ 9 с одной стороны, а с другой стороны по сигналу запроса из БП 8 в ЛМ 9 поступает сигнал с данными расхода G_{жидкость} и мощности N_{мощность} первого эталона. Поступившие значения сравниваются, а именно сравнивают для текущего значения расхода жидкости текущее и соответствующее эталонное значение мощности электродвигателя 1. Сигнал с данными результата сравнения направляют в УСО 10 для отображения и/или сбора и хранения значения сэкономленной энергии.

Для второго случая, когда установка эксплуатируется без КИА 5, посредством ИЗМ 6 измеряют текущие значения электрической мощности. Так же с одной стороны в ЛМ 9 поступают данные измеренных текущих значений, а с другой стороны из БП 8 поступают данные эталонных значений. Поступившие значения сравниваются, а именно для текущего значения мощности электродвигателя 1 определяют соответствующее эталонное значение расхода G_{жидкость}, далее для полученного таким образом значения расхода G_{жидкость} сравнивают текущее и эталонное значение мощности электродвигателя 1. Данные о сэкономленной энергии могут отображаться на дисплее УСО 10 и/или передаваться по каналам связи в соответствующие системы учета и сбора данных АСУ ТП установки или АСУ ТП предприятия.

Указанное УУ 7 в обоих сценариях исполнения системы может содержать иные блоки и работать по другой схеме. Например, когда при изменении какого либо текущего значения параметра рабочего тела или рабочего процесса отключается регулятор 4, делается замер текущего потребления мощности электродвигателя 1, потом опять включается регулятор и от замеренного отнимается текущее значение и вычисляется сэкономленная энергия.

Полученная в результате сравнения разность между текущим значением и эталонным фиксируется в системе как величина сэкономленной электроэнергии.

Для случаев эксплуатации без КИА 5, когда, как было указано выше, эталонные значения параметров могут быть выражены в виде соответствующих эталонных функций, например G_{жидкость}=f(N_{мощность}), величина сэкономленной энергии N_{сэкономленная} также может быть представлена в виде функции N_{сэкономленная}=f(N_{измеренное}), получаемой от указанных эталонных функций. В этом случае в БП 8 сохраняют данные указанной зависимости N_{сэкономленная} от N_{измеренное}, которая представляет собой механизм сравнения N_{измеренное} с эталонным значением и определения N_{сэкономленная} непосредственно по N_{измеренное} и является отображением функции N_{сэкономленная}=f(N_{измеренное}). В этом случае отпадает необходимость сохранения таблиц эталонных значений параметров в БП 8.

Таким образом, предложенное изобретение позволяет вести точный учет сэкономленной электроэнергии, получаемой за счет регулирования работы электродвигателя.

1. Способ учета электроэнергии в установках с регулируемым асинхронным электродвигателем, при котором измеряют текущие параметры электродвигателя и осуществляют учет потребляемой электроэнергии, отличающийся тем, что формируют и сохраняют эталонные значения параметров электродвигателя и параметров рабочего тела или рабочего процесса, измеряют текущие значения параметров электродвигателя и/или параметров рабочего тела или рабочего процесса и сравнивают их с сохраненными эталонными значениями, а результат сравнения отображают и/или сохраняют как сэкономленную электроэнергию.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что эталонные значения параметров составляют расчетным путем на основании паспортных данных электродвигателя и/или рабочего агрегата.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что эталонные значения получают путем контрольных замеров параметров электродвигателя, и/или рабочего тела, или рабочего процесса.

4. Система учета электроэнергии в установках с регулируемым электродвигателем, содержащая асинхронный электродвигатель, с выходным валом которого связан рабочий агрегат, регулятор электродвигателя, связанный через электрическую цепь с электродвигателем, измеритель параметров электродвигателя и устройство учета электроэнергии, содержащее логический модуль, предназначенный для сравнения данных текущих и эталонных значений параметров электрического двигателя и параметров рабочей среды или рабочего процесса и для вычисления значения сэкономленной электроэнергии и блок памяти, предназначенный для сохранения данных эталонных значений параметров электродвигателя и параметров рабочей среды или рабочего процесса, причем его выход связан с первым входом логического модуля, к другому входу которого подключен измеритель текущих параметров электродвигателя, а выход логического модуля соединен с устройством сбора и/или отображения данных.

5. Система по п.4, отличающаяся тем, что регулятор электродвигателя представляет собой частотный регулятор, выполненный по принципу вольт/частотной характеристики регулирования.

6. Система по п.4, отличающаяся тем, что регулятор электродвигателя представляет собой частотный регулятор, выполненный по принципу векторного регулирования.

7. Система по п.4, отличающаяся тем, что регулятор электродвигателя представляет собой регулятор мощности без изменения частоты вращения, выполненный по принципу ограничения тока, потребляемого двигателем, до уровня, достаточного для текущей нагрузки на выходном валу электродвигателя.

8. Система по п.4, отличающаяся тем, что содержит контрольно-измерительную аппаратуру, связанную с одной стороны с рабочим телом или рабочим процессом, с другой стороны связанную с третьим входом логического модуля.

9. Система по п.4, отличающаяся тем, что рабочий агрегат представляет собой насос, или компрессор, или вентилятор, или дымосос, или лебедку подъемного механизма и т.п.

10. Система по п.4, отличающаяся тем, что контрольно-измерительная аппаратура представляет собой расходомер жидкости или газа, и/или датчик давления, и/или датчик скорости потока жидкости или газа, и/или датчик числа оборотов.