Анализ методов энергосбережения для электроприводов с непрерывным режимом работы

метки: Электропривод, Двигатель, Энергосбережение, Энергосберегающий, Регулирование, Вести, Переходной, Подача

В настоящее время на промышленном предприятии должны быть разработаны мероприятия по экономии электроэнергии применительно к каждой электроустановке. В первую очередь это относится к электромеханическим устройствам с электрическим приводом, основной элемент которого электродвигатель. Известно, что более половины всей производимой в мире электроэнергии потребляется электродвигателями в электроприводах рабочих машин, механизмов, транспортных средств. Поэтому меры по экономии электроэнергии в электроприводах наиболее актуальны.

1. Актуальность энергосбережения

Актуальность энергосбережения и повышения энергоэффективности в последнее время настолько очевидна, что этот вопрос обсуждается как на всех уровнях государственной власти, так и на многих предприятиях. Для большинства предприятий, вопрос энергоэффективности, особенно в условиях непрерывного роста стоимости энергоресурсов, становится вопросом не только конкурентного преимущества, но и, зачастую, вопросом выживания предприятия. Значительная часть расходов предприятия на электроэнергию приходится на электроприводы, поэтому большинство предприятий стало задумываться о внедрении энергосберегающих технологий.

Задачи энергосбережения требуют оптимального решения не только в процессе эксплуатации электрических машин, но и при их проектировании. В процессе эксплуатации двигателя значительные потери энергии наблюдаются в переходных режимах и в первую очередь при его пуске.

2. Потери энергии в переходных режимах

Потери энергии в переходных режимах могут быть заметно снижены за счет применения двигателей с меньшими значениями моментов инерции ротора, что достигается уменьшением диаметра ротора при одновременном увеличении его длины, так как мощность двигателя при этом должна оставаться неизменной. Например, так сделано в двигателях краново-металлургических серий, предназначенных для работы в повторно-кратковременном режиме, с большим числом включений в час [ 4 ].

Эффективным средством снижения потерь при пуске двигателей является пуск при постепенном повышении напряжения, подводимого к обмотке статора. Энергия, расходуемая при торможении двигателя, равна кинетической энергии, запасенной в движущихся частях электропривода при его пуске. Энергосберегающий эффект при торможении зависит от способа торможения. Наибольший энергосберегающий эффект происходит при генераторном рекуперативном торможении с отдачей энергии в сеть. При динамическом торможении двигатель отключается от сети, запасенная энергия рассеивается в двигателе и возврата энергии в сеть не происходит.

Установка и эксплуатация приборов учета и регулирования расхода ...

... энергии, а также о режимах теплоснабжения. Ряд современных теплосчетчиков могут обеспечить выполнение практически всех функций по измерению, обработке, хранению и регистрации информации. Выпускаемые счетчики ... надежной работы необходим фильтр на входе прибора (см. схему 2). Схема 1 /конструкция счетчика ... водяной камеры; 3 - корпус; 4 - фильтр; 5 - тело обтекания. Схема 4 /пример монтажа/ 1 - счетчик ...

Наибольшие потери энергии наблюдаются при торможении противовключением, когда расход электроэнергии равен трехкратному значению энергии, рассеиваемой в двигателе при динамическом торможении. При установившемся режиме работы двигателя с номинальной нагрузкой потери энергии определяются номинальным значением КПД. Но если электропривод работает с переменной нагрузкой, то в периоды спада нагрузки КПД двигателя понижается, что ведет к росту потерь. Эффективным средством энергосбережения в этом случае является снижение напряжения, подводимого к двигателю в периоды его работы с недогрузкой. Этот способ энергосбережения возможно реализовать при работе двигателя в системе с регулируемым преобразователем при наличии в нем обратной связи по току нагрузки. Сигнал обратной связи по току корректирует сигнал управления преобразователем, вызывая уменьшение напряжения, подводимого к двигателю в периоды снижения нагрузки.

Если же приводным является асинхронный двигатель, работающий при соединении обмоток статора треугольником , то снижение подводимого к фазным обмоткам напряжения можно легко реализовать путем переключения этих обмоток на соединение звездой , так как в этом случае фазное напряжение понижается в 1,73 раза. Этот метод целесообразен еще и потому, что при таком переключении повышается коэффициент мощности двигателя, что также способствует энергосбережению.

3. Проектирование электродвигателя

При проектировании электропривода важным является правильный выбор мощности двигателя. Так, выбор двигателя завышенной номинальной мощности ведет к снижению его технико-экономических показателей (КПД и коэффициента мощности), вызванных недогрузкой двигателя [ 5 ]. Такое решение при выборе двигателя ведет как к росту капитальных вложений (с ростом мощности увеличивается стоимость двигателя), так и эксплуатационных расходов, поскольку с уменьшением КПД и коэффициента мощности растут потери, а, следовательно, растет непроизводительный расход электроэнергии. Применение двигателей заниженной номинальной мощности вызывает их перегрузку при эксплуатации. Вследствие этого растет температура перегрева обмоток, что способствует росту потерь и вызывает сокращение срока службы двигателя. В конечном счете возникают аварии и непредвиденные остановки электропривода и, следовательно, растут эксплуатационные расходы. В наибольшей степени это относится к двигателям постоянного тока из-за наличия у них щеточно-коллекторного узла, чувствительного к перегрузке.

Большое значение имеет рациональный выбор пускорегулирующей аппаратуры. С одной стороны, желательно, чтобы процессы пуска, торможения реверса и регулирования частоты вращения не сопровождались значительными потерями электроэнергии, так как это ведет к удорожанию эксплуатации электропривода. Но, с другой стороны, желательно, чтобы стоимость пускорегулирующих устройств не была бы чрезвычайно высокой, что привело бы к росту капитальных вложений. Обычно эти требования находятся в противоречии. Например, применение тиристорных пускорегулирующих устройств обеспечивает наиболее экономичное протекание процессов пуска и регулирования двигателя, но стоимость этих устройств пока еще остается достаточно высокой. Поэтому при решении вопроса целесообразности применения тиристорных устройств следует обратиться к графику работы проектируемого электропривода. Если электропривод не подвержен значительным регулировкам частоты вращения, частым пускам, реверсам и т.п., то повышенные затраты на тиристорное либо другое дорогостоящее оборудование могут оказаться неоправданными, а расходы, связанные с потерями энергии, – незначительными. И наоборот, при интенсивной эксплуатации электропривода в переходных режимах применение электронных пускорегулирующих устройств становится целесообразным [ 6 ]. К тому же следует иметь в виду, что эти устройства практически не нуждаются в уходе и их технико-экономические показатели, включая надежность, достаточно высоки. Необходимо, чтобы решение по применению дорогостоящих устройств электропривода подтверждалось технико-экономическими расчетами.

Способы увеличения мощности двигателя

... именно на дизельных двигателях. Такая идея увеличения мощности, без изменения рабочего объема двигателя, пришла в голову Готтлибу Даймлеру еще в 1885 году. Его устройство представляло собой вентилятор, ... нагнетателей типа Roots и Lysholm заключается в том, что они создают незамедлительное повышение давления, обеспечивая ровную работу мотора. Очень часто такие механические компрессоры используются ...

Решению проблемы энергосбережения способствует применение синхронных двигателей, создающих в питающей сети реактивные токи, опережающие по фазе напряжение. В итоге сеть разгружается от реактивной (индуктивной) составляющей тока, повышается коэффициент мощности на данном участке сети, что ведет к уменьшению тока в этой сети и, как следствие, к энергосбережению. Эти же цели преследует включение в сеть синхронных компенсаторов. Примером целесообразного применения синхронных двигателей является электропривод компрессорных установок, снабжающих предприятие сжатым воздухом. Для этого электропривода характерен пуск при небольшой нагрузке на валу, продолжительный режим работы при стабильной нагрузке, отсутствие торможений и реверсов. Такой режим работы вполне соответствует свойствам синхронных двигателей.

Используя в синхронном двигателе режим перевозбуждения, можно достичь значительного энергосбережения в масштабе всего предприятия. С аналогичной целью применяют силовые конденсаторные установки ( косинусные конденсаторы).

Создавая в сети ток, опережающий по фазе напряжение, эти установки частично компенсируют индуктивные (отстающие по фазе) токи, что ведет к повышению коэффициента мощности сети, а следовательно, к энергосбережению. Наиболее эффективным является применение конденсаторных установок типа УКМ 58 с автоматическим поддержанием заданного значения коэффициента мощности и со ступенчатым изменением реактивной мощности в диапазоне от 20 до 603 квар при напряжении 400 В.

Необходимо помнить, что энергосбережение направлено на решение не только экономических, но и экологических проблем, связанных с производством электроэнергии.

4. Регулируемый электропривод как средство энергосбережения

Остановимся более подробно на регулируемом электроприводе как средстве энергосбережения.

Электропривод используется практически во всех технологиях, связанных с движением и механической работой, за исключением автономных транспортных средств (автомобилей, самолётов, некоторых видов судов), в которых используются неэлектрические двигатели.

Среди бесчисленного множества агрегатов, оборудованных электроприводом, выделим основных потребителей электроэнергии – это насосы, обеспечивающие водоснабжение городов, посёлков, зданий, перекачивающие другие жидкие среды, и вентиляторы, используемые в системах вентиляции производственных и других помещений, туннелей, шахт, на котлах тепловых станций, в системах воздушного отопления школ, больниц, общественных зданий, больших магазинов и пр.

На рис. 2. приведена доля потребления энергии этими агрегатами по данным ЕС в промышленности и коммерческом секторе. Очень важно, что именно насосы и вентиляторы – основные потребители электроэнергии – до настоящего времени во всём мире оборудованы простейшим электроприводом и обладают громадным ресурсом энерго- и ресурсосбережения.

Переход от нерегулируемого электропривода к регулируемому является одним из основных путей энергосбережения в электроприводе и в технологической сфере средствами электропривода.

Как правило, необходимость регулирования скорости или момента электроприводов производственных механизмов диктуется требованиями технологического процесса. Например, скорость подачи резца определяет чистоту обработки детали на токарном станке, понижение скорости лифта необходимо для точного позиционирования кабины перед остановкой, необходимость регулирования момента на валу наматывающего устройства диктуется условиями поддержания постоянства усилия натяжения наматываемого материала и т. д.

Однако существует ряд механизмов, для которых изменение скорости по условиям технологии не требуется либо для регулирования используются другие (не электрические) способы влияния на параметры технологического процесса. В первую очередь к ним относятся механизмы для подачи жидкостей и газов.

Центробежные механизмы для подачи жидкостей и газов (вентиляторы, насосы, нагнетатели, компрессоры) являются основными общепромышленными механизмами, обладающими в масштабах страны наибольшими потенциальными возможностями для значительного сокращения удельного расхода электроэнергии. Особое положение центробежных механизмов объясняется их массовостью, большой мощностью, как привило, длительным режимом работы.

Указанные обстоятельства определяют значительный удельный вес этих механизмов в энергетическом балансе страны. Суммарная установленная мощность приводных двигателей насосов, вентиляторов, компрессоров составляет около 20% от мощности всех электростанций, при этом только вентиляторы потребляют около 10% от всей электроэнергии, вырабатываемой в стране.

Эксплуатационные свойства центробежных механизмов представлены в виде зависимостей напора Н от расхода Q, так и мощности Р от расхода Q. В установившемся режиме работы напор, создаваемый центробежным механизмом, уравновешивается напором гидро– или аэродинамической сети, в которую он подает жидкость или газ.

Статическая составляющая напора, определяется для насосов – геодезической разностью уровней потребителя и насоса; для вентиляторов – естественной тягой; для нагнетателей и компрессоров – давлением сжатого газа в сети (резервуаре).

Точка пересечения Q – H–характеристик насоса и сети определяет параметры Н – Н _n и Q_n – Регулирование подачи Q насоса, работающего с постоянной скоростью,обычно осуществляется задвижкой на его выходе и приводит к изменению характеристики сети, в результате чего в точке ее пересечения с характеристикой насоса

соответствует подача Q _A* < 1 [2 ].

По аналогии с электрическими цепями регулирование расхода задвижкой подобно регулированию тока путем увеличения электрического сопротивления цепи. Очевидно, что такой способ регулирования с энергетической точки зрения не эффективен, так как сопровождается непроизводительными потерями энергии в регулирующих элементах (резисторе, задвижке).

Потеря на задвижке характеризуются заштрихованной областью на рис. 3.

Так же как и в электрической цепи, более экономично регулирование источника энергии, а не ее потребителя. В электрических цепях при этом ток нагрузки снижается за счет уменьшения напряжения источника. В гидравлических и аэродинамических сетях аналогичный эффект получается при уменьшении напора, создаваемого механизмом, что реализуется снижением скорости его рабочего колеса.

При изменении скорости рабочие характеристики центробежных механизмов видоизменяются в соответствии с законами подобия, которые имеют вид [ 1 ]:

Скорость рабочего колеса насоса, при которой его характеристика будет проходить через точку А:

Выражение для потребляемой насосом мощности при регулировании скорости имеет вид:

Квадратичная зависимость момента от скорости характерна в основном для вентиляторов, так как статическая составляющая напора, определяемая естественной тягой, существенно меньше Н _Х . В технической литературе иногда используют приближенную зависимость момента от скорости, которая учитывает это свойство центробежного механизма:

где n = 2 при при Н _С = 0 и nH_С > 0. Расчеты и эксперименты показывают, что n = 2 – 5, причем большие его значения характерны для компрессоров, работающих на сеть со значительным противодавлением.

Анализ режимов работы насоса при постоянной и регулируемой скорости показывает, что избыточный расход энергии при ω = const оказывается весьма существенным. Для примера ниже показаны результаты расчета режимов работы насоса с параметрами H _Х* = 1,2; Р_Х* = 0,3 на сеть с противодавлением при различных H_С [3 ].

Приведенные данные показывают, что регулируемый электропривод позволяет значительно сократить расход потребляемой электроэнергии: до 66% в первом и до 41% во втором случае. На практике этот эффект может оказаться еще более высоким, так как по различным причинам (отсутствие или неисправность задвижек, ручной привод) регулирование задвижками вообще не применяется, что приводит не только к повышению расхода электроэнергии, но и к избыточным напорам и расходам в гидравлической сети.

Выше рассмотрены вопросы энергетики одиночно работающих центробежных механизмов на сеть с постоянными параметрами. На практике встречается параллельная работа центробежных механизмов, а сеть часто имеет переменные параметры. Например, аэродинамическое сопротивление шахтной сети изменяется при изменении протяженности забоев, гидродинамическое сопротивление сетей водоснабжения определяется режимом водопотребления, который изменяется в течение суток, и т. д. [ 7 ].

При параллельной работе центробежных механизмов возможны два случая:

1. одновременно и синхронно регулируется скорость всех механизмов;
2. регулируется скорость одного механизма либо части механизмов.

Если параметры сети постоянны, то в первом случае все механизмы могут рассматриваться как один эквивалентный, для которого справедливы все приведенные соотношения. Во втором случае напор нерегулируемой части механизмов оказывает на регулируемую часть такой же эффект, как противодавление, причем оно весьма существенно, поэтому экономия потребляемой мощности здесь не превышает 10–15% от номинальной мощности машины.

Переменные параметры сети существенно усложняют анализ совместной работы центробежных механизмов с сетью. Энергетическую эффективность регулируемого электропривода в этом случае можно определить в виде области, границы которой соответствуют предельным значениям параметров сети и скорости центробежного механизма.

Замечания

На момент написания данного реферата магистерская работа еще не завершена. Предполагаемая дата завершения: май 2017 г. Полный текст работы, а также материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/referat/energosberejenie-v-elektroprivode/

1. Энергосберегающий асинхронный электропривод // И.Я. Браславский, З.Ш. Ишматов, В.Н. Поляков: Учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений. – М.: Издательский центр «Академия», 2004. – 256 с.
2. Электропривод и автоматизация промышленных установок как средства энергосбережения / И.А. Авербах, Е.И. Барац, И.Я. Браславский, З.Ш. Ишматов. – Екатеринбург: Свердловгосэнергонадзор, 2002. – 28 с.
3. Частотно-регулируемый асинхронный электропривод как средство энергосбережения / И.А. Авербах, Е.И. Барац, И.Я. Браславский, З.Ш. Ишматов // Энергетика региона. – Екатеринбург, 2002. – №2(45).

   – С. 34 – 35.

4. Регулируемые электроприводы // Фираго Б.И., Павлячик Л.Б.- Минск: Техноперспектива, 2006.-363с.
5. Копылов И.П. Проектирование электрических машин. — М.: Энергия, 1980. 495с.
6. Проектирование асинхронных двигателей// Сечин В.И., Разумных Е.В.- Хабаровск: Изд-во ДВГУПС — 133с.
7. Лезнов Б.С. Энергосбережение и регулируемый привод в насосных установках. М.: ИК «Ягорба»-Биоинформсервис, 1998.

Таблица 1 – Анализ режимов работы насоса при постоянной и регулируемой скорости

Q *	1	0,8	0,6	0,4	0,2
ω *	1	0,89	0,79	0,715	0,66
P * (ω=const)	1	0,86	0,72	0,58	0,44
P′ * (ω=var)	1	0,66	0,41	0,25	0,15
P′ Δ* =P* –P′*	0	0,2	0,31	0,33	0,29
P′ Δ* /P*	0	0,23	0,43	0,57	0,66