Энергосбережение при эксплуатации электродвигателей

Аннотация

Д. О. Профатило Энергосбережение при эксплуатации электродвигателей. В статье рассмотрена возможность оптимального решения при эксплуатации электрических машин. Показаны пути обеспечения энергосбережения за счёт снижения потерь в переходных режимах и в установившемся режиме работы.

В настоящее время на промышленных предприятиях должны быть разработаны мероприятия по экономии электроэнергии применительно к каждой электроустановке. В первую очередь это относится к электромеханическим устройствам с электрическим приводом, основным элементом которого является 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.

Задачи энергосбережения требуют оптимального решения не только в процессе эксплуатации электрических машин, но и при их проектировании. В частности это касается снижения потерь энергии в переходных режимах и в первую очередь при его пуске.

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.

Эффективным средством снижения потерь при пуске двигателей является пуск при постепенном повышении напряжения, подводимого к обмотке статора. Режим торможения механизмов также должен реализовываться с учетом требований энергосбережения, так как энергия, выделяемая 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 обеспечивается при генераторном рекуперативном торможении с отдачей энергии в сеть.

Наибольшие потери энергии наблюдаются при торможении противовключением, когда расход энергии равен трехкратному значению энергии, рассеиваемой в двигателе при динамическом торможении. Эффективным средством энергосбережения в этом случае является снижение напряжения, подводимого к двигателю в периоды его работы с недогрузкой.

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.

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. 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.

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.

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.

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 (вентиляторы, насосы, нагнетатели, компрессоры).

Их особое положение объясняется их массовостью, большой мощностью, как правило, 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. 1.) 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.

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

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.

Список использованной литературы

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. 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.