Как определить экономию электрической энергии при замене незагруженных асинхронных электродвигателей на электродвигатели меньшей мощности

Обновлено: 12.05.2024

От 60 до 80% нагрузки в промышленности обеспечивается асинхронными двигателями. К основным принципам экономии ЭЭ в электроприводе и средствами электропривода, когда не используется регулирование скорости, можно отнести:

1. Правильный выбор основного оборудования , в первую очередь, электродвигателя и редуктора, если он используется.

2. Использование энергосберегающих двигателей . Приме-

нение в конструкции асинхронных двигателей (АД) на 25-30% больше активных материалов (железа, меди, алюминия) на 30% позволяет снизить потери ЭЭ, повысить КПД на 5% в двигателях малой мощности и на 1% в двигателях мощностью 70-100 кВт. Цена таких двигателей на 20-30% больше обычных, срок окупаемости за счет сокращения эксплуатационных издержек составляет 2-3 года [31].

Принимая решение о замене существующих АД на энергосберегающие следует учесть, что расчетная экономия ЭЭ будет достигаться лишь при маломеняющейся и близкой к номинальной нагрузке. При резкопеременной нагрузке (значительной доле холостого хода в цикле) экономия будет меньше расчетной.

3. Уменьшение потерь в питающих сетях. Проблема потерь мощности возникает за счет низкого, особенно при малых нагрузках,

коэффициента мощности cos . К техническим решениям, позволяю-

щим увеличить коэффициент мощности до нормативных значений [12], относится компенсация реактивных нагрузок посредством регулируе-

мых конденсаторных батарей, синхронных компенсаторов, фильтрокомпенсирующих устройств.

Большинство этих приемов ориентированы на нерегулируемый, а иногда и сильно недогруженный электропривод с асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором. Достигаемый от компенсации реактивной мощности эффект может оказаться несопоставимо меньше убытков от использования нерегулируемого электропривода.

К другим способам энергосбережения в нерегулируемом электроприводе можно отнести:

 снижение продолжительности холостого хода;

 переключение обмоток по схеме Y на время холостого хода или малых нагрузок;

 изменение типа торможения в электроприводах с частыми пусками и торможениями.

6.4.1. Экономия ЭЭ за счет снижения продолжительности холостого хода двигателей

Ограничение длительности холостого хода АД главного привода производится с помощью автоматических ограничителей - специальных выключателей, которые отключают электродвигатель, если в течение определенного времени отсутствует нагрузка главного привода станка. Следует иметь в виду, что ограничение холостого хода (ХХ) электродвигателей, создавая определенную экономию активной и реактивной энергии, вызывает увеличение числа пусков привода, и рост потерь в нем. Кроме того, вследствие ухудшения условий охлаждения самовентилируемых машин во время пауз в некоторых случаях возможен перегрев двигателя. При частых включениях и отключениях двигателей увеличивается также износ станочной электроаппаратуры [31].

При установке ограничителей холостого хода следует учитывать число технологических циклов в час с допустимым числом включений, гарантируемых заводом-изготовителем для применяемого типа пусковой аппаратуры. Повторные быстрые включения двигателя не допускаются. Кроме того, частые броски тока при пусках могут свести на нет получаемую экономию от сокращения холостых ходов [31].

Основанием для принятия решения об установке ограничителя является сопоставление потерь энергии за время работы двигателя на холостом ходу с потерями энергии, которые будут иметь место при новом включении двигателя в работу. Если потери энергии при пуске двигателя меньше потерь энергии за время его холостого хода, то отключение обеспечит энергосбережение в электроприводе, и наоборот. Получим выражение для определения граничного времени холостого хода, при

превышении которого отключение двигателя будет целесообразным с точки зрения энергосбережения.

Равенство потерь энергии при работе на XX и при пуске может быть записано в следующем виде;

По оценкам отечественных специалистов доля электроэнергии составляет 30-40 % в стоимости продукции. Поэтому энергосбережение является весьма существенным фактором в экономии ресурсов и достижении конкурентного преимущества.

Одним из направлений по энергосбережению является снижение реактивной мощности (увеличение cos φ ) , т.к. реактивная мощность приводит к росту потерь электроэнергии. При отсутствии устройств компенсации реактивной мощности, потери могут составить от 10 до 50% от среднего потребления.

Отметим, что при низких значениях cos φ (0.3-0.5), трехфазные счетчики дают погрешность показаний до 15%. Потребитель будет переплачивать из-за неверных показаний счетчика, роста электропотребления, штрафов за низкий cos φ .

Реактивная мощность приводит к снижению качества электроэнергии, перекосам фаз, высокочастотным гармоникам, тепловым потерям, перегрузкам генераторов, броскам по частоте и амплитуде. Нормы качества электроэнергии определяет ГОСТ 13109-97.


Указанные недостатки, т.е. плохое качество электроэнергии, приводят к большим экономическим потерям. Например, в Америке в конце 90-х годов проводились исследования, которые оценили ущерб от низкого качества электроэнергии в 150 миллиардов долларов в год.

У нас в стране своя статистика. Работа микропроцессорной техники, медицинского оборудования, систем телекоммуникаций часто прерываются короткими по продолжительности (несколько миллисекунд) провалами или перегрузками по питающему напряжению, которые происходят 20-40 раз в год, но ведут к дорогостоящему экономическому ущербу.

Прямой или косвенный ущерб достигает при этом несколько миллионов долларов в год. По статистике полное исчезновение напряжения составляет всего 10% от общего количества неисправностей, отключения продолжительностью более 1-3 секунды происходят в 2-3 раза реже отключений длительностью менее 1 секунды. Способы борьбы с кратковременными перебоями работы электросети гораздо более сложные и дорогостоящие.

Практический опыт измерений

Рассмотрим вклад различных устройств в увеличение реактивной мощности. Асинхронные электродвигатели - это около 40%; электрические печи 8%; преобразователи 10%; различные трансформаторы 35%; линии электропередач 7%. Но это только средние значения. Дело в том, что cos φ оборудования сильно зависит от его загрузки. Например, если cos φ асинхронного электродвигателя при полной нагрузке 0.7-0.8, то при малой нагрузке он всего 0.2-0.4. Аналогичное явление происходит и с трансформаторами.

Способы и устройства компенсации реактивной мощности

Так как указанные реактивные нагрузки в большей мере имеют индуктивный характер, то для их компенсации используются конденсаторные установки . Если нагрузка имеет емкостной характер, для компенсации используют индуктивности (дроссели и реакторы).

В более сложных случаях используют автоматизированные фильтрокомпенсирующие конденсаторные установки . Они позволяют избавить сети от высокочастотных гармонических составляющих, повысить помехоустойчивость оборудования.

Регулируемые и нерегулируемые установки для компенсации реактивной мощности

Установки для компенсации реактивной мощности делятся по степени управления делятся на регулируемые и нерегулируемые. Нерегулируемые проще и дешевле, но учитывая изменение cos φ от степени нагрузки, они могут вызвать перекомпенсацию, т.е. они неоптимальные с точки зрения максимального повышения cos φ .

Регулируемые установки хороши тем, что отслеживают изменение в электросети в динамическом режиме. С их помощью можно поднять cos φ до значений 0.97-0.98. Кроме того, происходит мониторинг, запись и индикация текущих показаний. Это позволяет далее использовать эти данные для анализа.

Примеры отечественной реализации устройств для компенсации реактивной мощности

Примером отечественной реализации управляемых и неуправляемых конденсаторных установок на мощность от 10 до 400 кВар, может быть продукция фирмы «Нюкон», «Матикэлектро» до 2000 кВар, "ДИАЛ-Электролюкс" и другие.

Способы снижения несинусоидальности напряжения можно разделить на три группы:

а) схемные решения: выделение нелинейных нагрузок на отдельную систему шин; рассредоточение нагрузок по различным узлам СЭС с подключением параллельно им электродвигателей, группирование преобразователей по схеме умножения фаз, подключение нагрузки к системе с большей мощностью,

б) использование фильтровых устройств , включение параллельно нагрузке узкополосных резонансных фильтров, включение фильтрокомпенсирующих устройств (ФКУ) применение фильтросимметрирующих устройств (ФСУ), применение быстродействующих статических источников реактивной мощности (ИРМ), содержащих ФКУ,

в) применение специального оборудования, характеризующегося пониженным уровнем генерации высших гармоник использование "ненасыщающихся" трансформаторов, применение многофазных преобразователей с улучшенными энергетическими показателями.

Развитие элементной базы силовой электроники и новых методов высокочастотной модуляции привело к созданию в 70-х годах нового класса устройств, улучшающих качество электроэнергии - активных фильтров (АФ) . Сразу же возникла классификация активных фильтров на последовательные и параллельные, а также на источники тока и напряжения, что привело к получению четырех базовых схем.

Каждая их четырех структур (рис 1. 6) определяет схему фильтра на рабочей частоте: ключей в преобразователе и вид самих ключей (двунаправленный или однонаправленный ключ). В качестве накопителя энергии в преобразователе, служащем источником тока (рис 1.а, г), используется индуктивность , а в преобразователе, служащем источником напряжения (рис 1. б, в), используется емкость.

Рисунок 1. Основные типы активных фильтров: а - параллельный источник тока; б - параллельный источник напряжения; в - последовательный источник напряжения; г - последовательный источник тока

Известно, что сопротивление фильтра Z на частоте w равно

При ХL = ХC или wL = (1/wС) на частоте w наступает резонанс напряжений , означающий, что сопротивление фильтра для гармонической и составляющей напряжения с частотой w равно нулю. При этом гармонические составляющие с частотой w будут поглощаться фильтром и не проникать в сеть. На этом явлении основан принцип построения резонансных фильтров.

В сетях с нелинейными нагрузками возникают, как правило, гармоники канонического ряда, порядковый номер которых ν 3, 5, 7, . . ..

Рисунок 2. Схема замещения силового резонансного фильтра

Учитывая, что XLν = ХL, ХCv = (XC/ν), где XL и Xc - сопротивления реактора и конденсаторной батареи на основной частоте, получаем:

Такой фильтр, который, помимо фильтрации гармоники, будет генерировать реактивную мощность , и компенсировать потери мощности в сети и напряжения, носит название фильтрокомпенсирующего (ФКУ) .

Если устройство, помимо фильтрации высших гармоник, выполняет функции симметрирования напряжения, то такое устройство называется фильтросимметрирующим (ФСУ) . Конструктивно ФСУ представляют собой несимметричный фильтр, включенный на линейное напряжение сети. Выбор линейных напряжений, на которые подключаются фильтрующие цепи ФСУ, а также соотношения мощностей конденсаторов, включенных в фазы фильтра, определяются условиями симметрирования напряжения.

Из вышесказанного следует, что устройства типа ФКУ и ФСУ воздействуют одновременно на несколько показателей качества электрической энергии (несинусоидальность, несимметрия, отклонение напряжения). Такие устройства для повышения качества электрической энергии получили название многофункциональных оптимизирующих устройств (МОУ).

Целесообразность в разработке таких устройств возникла в связи с тем, что резкопеременные нагрузки типа дуговых сталеплавильных печей вызывают одновременное искажение напряжения по ряду показателей. Применение МОУ позволяет комплексно решать проблему обеспечения качества электроэнергии, т.е. одновременно по нескольким показателям.

К категории таких устройств относятся быстродействующие статические источники реактивной мощности (ИРМ) .

По принципу регулирования реактивной мощности ИРМ можно разделить на две группы: быстродействующие статические источники реактивной мощности прямой компенсации, быстродействующие статические источники реактивной мощности косвенной компенсации . Структуры ИРМ представлены соответственно на рисунке 3, а, б. Такие устройства, обладая высоким быстродействием, позволяют снижать колебания напряжения. Пофазное регулирование и наличие фильтров обеспечивают симметрирование и снижение уровней высших гармоник.

На рис. 3, а представлена схема прямой компенсации , где "управляемым" источником реактивной мощности является коммутируемая с помощью тиристоров конденсаторная батарея. Батарея имеет несколько секций и позволяет дискретно изменять генерируемую реактивную мощность. На рис. 3, б мощность ИРМ меняется с помощью регулирования реактора. При таком способе управления реактор потребляет избыток реактивной мощности, генерируемой фильтрами. Поэтому способ носит название косвенной компенсации .

Рисунок 3. Структурные схемы многофункциональных ИРМ прямой (а) и косвенной (б) компенсации

Косвенная компенсация имеет два основных недостатка : поглощение избытка мощности вызывает дополнительные потери, а изменение мощности реактора с помощью угла управления вентилей приводит к дополнительной генерации высших гармоник.

Читайте также: