ДонНТУ   Портал магістрів

Профатіло Денис Олегович

Електротехнічний факультет

Кафедра Електропривід та автоматизація промислових установок

Спеціальність Електромеханічні системи автоматизації та електропривід

Аналіз методів енергозбереження для електроприводів з безперервним режимом роботи

Науковий керівник: к. т. н., доц. Світличний Олексій Васильович

Резюме Біографія Реферат

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

• Вступ
• 1. Актуальність енергозбереження
• 2. Втрати енергії в перехідних режимах
• 3. Проектування електродвигуна
• 4. Регульований електропривод як засіб енергозбереження
• Перелік посилань

Вступ

В даний час на промисловому підприємстві повинні бути розроблені заходи щодо економії електроенергії стосовно кожної електроустановки. В першу чергу це відноситься до електромеханічних пристроїв з електричним приводом, основний елемент якого є електродвигун. Відомо, що більше половини всієї виробленої у світі електроенергії споживається електродвигунами в електроприводах робочих машин, механізмів, транспортних засобів. Тому заходи щодо економії електроенергії в електроприводах найбільш актуальні.

1. Актуальність енергозбереження

Актуальність енергозбереження та підвищення енергоефективности останнім часом настільки очевидна, що це питання обговорюється як на всіх рівнях державної влади, так і на багатьох підприємствах. Для більшості підприємств, питання енергоефективності, особливо в умовах безперервного зростання вартості енергоресурсів, стає питанням не тільки конкурентної переваги, а й, найчастіше, питанням виживання підприємства. Значна частина витрат підприємства на електроенергію припадає на електропривод, тому більшість підприємств стало замислюватися про впровадження енергозберігаючих технологій.

Завдання енергозбереження вимагають оптимального рішення не тільки в процесі експлуатації електричних машин, але і при їх проектуванні. В процесі експлуатації двигуна значні втрати енергії спостерігаються в перехідних режимах і в першу чергу при його пуску.

2. Втрати енергії в перехідних режимах

Втрати енергії в перехідних режимах можуть бути помітно знижені за рахунок застосування двигунів з меншими значеннями моментів інерції ротора, що досягається зменшенням діаметра ротора при одночасному збільшенні його довжини, так як потужність двигуна при цьому повинна залишатися незмінною. Наприклад, так зроблено в двигунах краново-металургійних серій, призначених для роботи в повторно-короткочасному режимі, з великим числом включень в годину [4].

Ефективним засобом зниження втрат при пуску двигунів є пуск при поступовому підвищенні напруги, що підводиться до обмотки статора. Енергія, що витрачається при гальмуванні двигуна, дорівнює кінетичної енергії, запасеної в рухомих частинах електроприводу, при його пуску. Енергозберігаючий ефект при гальмуванні залежить від способу гальмування. Найбільший енергозберігаючий ефект відбувається при генераторному рекуперативному гальмуванні з віддачею енергії в мережу. При динамічному гальмуванні двигун відключається від мережі, запасена енергія розсіюється в двигуні і повернення енергії в мережу не відбувається.

Найбільші втрати енергії спостерігаються при гальмуванні протівовключенням, коли витрата електроенергії дорівнює триразовому значенням енергії, що розсіюється в двигуні при динамічному гальмуванні. При сталому режимі роботи двигуна з номінальним навантаженням втрати енергії визначаються номінальним значенням ККД. Але якщо електропривод працює зі змінним навантаженням, то в періоди спаду навантаження ККД двигуна знижується, що веде до зростання втрат. Ефективним засобом енергозбереження в цьому випадку є зниження напруги, що підводиться до двигуна в періоди його роботи з недовантаженням. Цей спосіб енергозбереження можливо реалізувати при роботі двигуна в системі з регульованим перетворювачем при наявності в ньому зворотного зв’язку по струму навантаження. Сигнал зворотного зв’язку по струму коригує сигнал управління перетворювачем, викликаючи зменшення напруги, що підводиться до двигуна в періоди зниження навантаження.

Якщо ж приводним є асинхронний двигун, що працює при з’єднанні обмоток статора трикутником, то зниження напруги що підводиться к фазним обмоткам напруги можна легко реалізувати шляхом перемикання цих обмоток на з’єднання зіркою, так як в цьому випадку фазна напруга знижується в 1,73 рази. Цей метод доцільний ще й тому, що, при такому перемиканні підвищується коефіцієнт потужності двигуна, що також сприяє енергозбереженню.

3. Проектування електродвигуна

При проектуванні електроприводу важливим є правильний вибір потужності двигуна. Так, вибір двигуна завищеної номінальної потужності веде до зниження його техніко-економічних показників (ККД і коефіцієнта потужності), викликаних недовантаженням двигуна [5]. Таке рішення при виборі двигуна веде як до зростання капітальних вкладень (з ростом потужності збільшується вартість двигуна), так і експлуатаційних витрат, оскільки із зменшенням ККД і коефіцієнта потужності зростають втрати, а, отже, зростає непродуктивний витрата електроенергії. Застосування двигунів заниженою номінальної потужності викликає їх перевантаження при експлуатації. Внаслідок цього зростає температура перегріву обмоток, що сприяє зростанню втрат і викликає скорочення терміну служби двигуна. В кінцевому рахунку виникають аварії та непередбачені зупинки електроприводу і, отже, зростають експлуатаційні витрати. Найбільшою мірою це відноситься до двигунів постійного струму через наявність у них щітково-колекторного вузла, чутливого до перевантаження.

Велике значення має раціональний вибір пускорегулювальної апаратури. З одного боку, бажано, щоб процеси пуску, гальмування реверсу і регулювання частоти обертання не супроводжувалися значними втратами електроенергії, так як це веде до подорожчання експлуатації електроприводу. Але, з іншого боку, бажано, щоб вартість пускорегулирующих пристроїв не була б надзвичайно високою, що призвело б до зростання капітальних вкладень. Зазвичай ці вимоги знаходяться в протиріччі. Наприклад, застосування тиристорних пускорегулирующих пристроїв забезпечує найбільш економічне протікання процесів пуску і регулювання двигуна, але вартість цих пристроїв поки ще залишається досить високою. Тому при вирішенні питання доцільності застосування тиристорних пристроїв слід звернутися до графіку роботи проектованого електроприводу. Якщо електропривод не схильний до значних регулювань частоти обертання, частих пусків, реверс і т.п., то підвищені витрати на тиристорне або інше дороге устаткування можуть виявитися невиправданими, а витрати, пов’язані з втратами енергії, – незначними. І навпаки, при інтенсивній експлуатації електроприводу в перехідних режимах застосування електронних пускорегулювальних пристроїв стає доцільним [6]. До того ж слід мати на увазі, що ці пристрої практично не потребують догляду і їх техніко-економічні показники, включаючи надійність, досить високі. Необхідно, щоб рішення щодо застосування дорогих пристроїв електропривода підтверджувалося техніко-економічними розрахунками.

Вирішенню проблеми енергозбереження сприяє застосування синхронних двигунів, що створюють в мережі живлення реактивні струми, випереджаючі по фазі напругу. У підсумку мережа розвантажується від реактивної (індуктивної) складової струму, підвищується коефіцієнт потужності на даній ділянці мережі, що веде до зменшення струму в цій мережі і, як наслідок, до енергозбереження. Ці ж цілі переслідує включення в мережу синхронних компенсаторів. Прикладом доцільного застосування синхронних двигунів є електропривод компресорних установок, що постачають підприємство стисненим повітрям. Для цього електроприводу характерний пуск при невеликому навантаженні на валу, тривалий режим роботи при стабільному навантаженні, відсутність гальмувань і реверсів. Такий режим роботи цілком відповідає властивостям синхронних двигунів.

Використовуючи в синхронному двигуні режим перезбудження, можна досягти значного енергозбереження в масштабі всього підприємства. З аналогічною метою застосовують силові конденсаторні установки (косинусні конденсатори). Створюючи в мережі струм, що випереджає за фазою напругу, ці установки частково компенсують індуктивні (відстаючі по фазі) струми, що веде до підвищення коефіцієнта потужності мережі, а отже, до енергозбереження. Найбільш ефективним є застосування конденсаторних установок типу УКМ 58 з автоматичною підтримкою заданого значення коефіцієнта потужності і зі ступінчатою зміною реактивної потужності в діапазоні від 20 до 603 квар при напрузі 400 В.

Необхідно пам’ятати, що енергозбереження спрямоване на вирішення не тільки економічних, але й екологічних проблем, пов’язаних з виробництвом електроенергії.

4. Регульований електропривод як засіб енергозбереження

Зупинимося детальніше на регульованому електроприводі як засобі енергозбереження.

Електропривод використовується практично у всіх технологіях, пов’язаних з рухом і механічною роботою, за винятком автономних транспортних засобів ( автомобілів, літаків, деяких видів судів ), в яких використовуються неелектричні двигуни.

Серед незліченної безлічі агрегатів, обладнаних електроприводом, виділимо основних споживачів електроенергії – це насоси, що забезпечують водопостачання міст, селищ, будівель, які перекачують інші рідкі середовища, і вентилятори, що використовуються в системах вентиляції виробничих та інших приміщень, тунелів, шахт, на котлах теплових станцій, в системах повітряного опалення шкіл, лікарень, громадських будівель, великих магазинів та ін.

На рис. 2. приведена частка споживання енергії цими агрегатами за даними ЄС в промисловості і комерційному секторі. Дуже важливо, що саме насоси і вентилятори – основні споживачі електроенергії – до теперішнього часу в усьому світі обладнані найпростішим електроприводом і володіють величезним ресурсом енерго- і ресурсозбереження.

Перехід від нерегульованого електроприводу до регульованого є одним з основних шляхів енергозбереження в електроприводі і в технологічній сфері засобами електроприводу.

Як правило, необхідність регулювання швидкості або моменту електроприводів виробничих механізмів диктується вимогами технологічного процесу. Наприклад, швидкість подачі різця визначає чистоту обробки деталі на токарному верстаті, зниження швидкості ліфта слід для точного позиціонування кабіни перед зупинкою, необхідність регулювання моменту на валу намотує диктується умовами підтримання сталості зусилля натягу намотуваного матеріалу і т. д.

Однак існує ряд механізмів, для яких зміна швидкості за умовами технології не потрібна або для регулювання використовуються інші (не електричні) способи впливу на параметри технологічного процесу. В першу чергу до них відносяться механізми для подачі рідин і газів.

Відцентрові механізми для подачі рідин і газів (вентилятори, насоси, нагнітачі, компресори) є основними загальнопромисловими механізмами, що мають в масштабах країни найбільші потенційні можливості для значного скорочення питомої витрати електроенергії. Особливе становище відцентрових механізмів пояснюється їх масовістю, великою потужністю, і як правило, тривалим режимом роботи.

Зазначені обставини визначають значну питому вагу цих механізмів в енергетичному балансі країни. Сумарна встановлена потужність приводних двигунів насосів, вентиляторів, компресорів складає близько 20% від потужності всіх електростанцій, при цьому тільки вентилятори споживають близько 10% від всієї електроенергії, що виробляється в країні.

Експлуатаційні властивості відцентрових механізмів представлені у вигляді залежностей напору Н від витрати Q, так і потужності Р від витрати Q. У сталому режимі роботи натиск, створюваний відцентровим механізмом, врівноважується напором гідро– або аеродинамічній мережі, в яку він подає рідину або газ.

Статична складова напору, визначається для насосів – геодезичної різницею рівнів споживача і насоса; для вентиляторів – природною тягою; для нагнітачів і компресорів – тиском стисненого газу в мережі (резервуарі).

Точка перетину Q – H–характеристик насоса і мережі визначає параметри Н – Н_n і Q_n – Регулювання подачі Q насоса, що працює з постійною швидкістю, зазвичай здійснюється засувкою на його виході і призводить до зміни характеристики мережі, в результаті чого точці її перетину з характеристикою насоса відповідає подача Q_A* < 1  [2].

За аналогією з електричними ланцюгами, регулювання витрати засувкою подібно регулюванню струму шляхом збільшення електричного опору кола. Очевидно, що такий спосіб регулювання з енергетичної точки зору не є ефективним, тому що супроводжується непродуктивними втратами енергії в регулюючих елементах (резистори, засувці). Втрата на засувці характеризуються заштрихованої областю на рис. 3.

Так само як і в електричному ланцюзі, більш економічно регулювання джерела енергії, а не її споживача. В електричних ланцюгах при цьому струм навантаження знижується за рахунок зменшення напруги джерела. У гідравлічних і аеродинамічних мережах аналогічний ефект виходить при зменшенні напору, створюваного механізмом, що реалізується зниженням швидкості його робочого колеса.

При зміні швидкості робочі характеристики відцентрових механізмів видозмінюються відповідно до законів подібності, які мають вигляд [1]:

Швидкість робочого колеса насоса, при якій його характеристика буде проходити через точку А:

Вираз для споживаної насосом потужності при регулюванні швидкості має вигляд:

Квадратична залежність моменту від швидкості характерна в основному для вентиляторів, так як статична складова напору, що визначається природною тягою, істотно менше Н_Х.
У технічній літературі іноді використовують наближену залежність моменту від швидкості, яка враховує це властивість відцентрового механізму:

де n = 2 при при Н_С = 0 і nH_С> 0. Розрахунки і експерименти показують, що n = 2 – 5, причому великі його значення характерні для компресорів, що працюють на мережу зі значним протитиском.

Аналіз режимів роботи насоса при постійній і регульованою швидкості показує, що надмірна витрата енергії при ω  = const виявляється досить суттєвою. Для прикладу нижче показані результати розрахунку режимів роботи насоса з параметрами H_Х* = 1,2; Р_Х* = 0,3 на мережу з протитиском при різних H_С  [3].

Наведені дані показують, що регульований електропривод дозволяє значно скоротити витрату споживаної електроенергії: до 66% в першому і до 41% у другому випадку. На практиці цей ефект може виявитися ще більш високим, так як з різних причин (відсутність або несправність засувок, ручний привід) регулювання засувками взагалі не застосовується, що призводить не тільки до підвищення витрат електроенергії, а й до надмірниого натиску і витрат в гідравлічній мережі.

Вище розглянуті питання енергетики поодиноко працюючих відцентрових механізмів на мережу з постійними параметрами. На практиці зустрічається паралельна робота відцентрових механізмів, а мережа часто має змінні параметри. Наприклад, аеродинамічний опір шахтної мережі змінюється при зміні протяжності вибоїв, гідродинамічний опір мереж водопостачання визначається режимом водоспоживання, який змінюється протягом доби, і т. д. [7].

При паралельній роботі відцентрових механізмів можливі два випадки:

1. одночасно і синхронно регулюється швидкість всіх механізмів;
2. регулюється швидкість одного механізму або частини механізмів.

Якщо параметри мережі постійні, то в першому випадку всі механізми можуть розглядатися як один еквівалентний, для якого справедливі всі наведені співвідношення. У другому випадку натиск нерегульованої частини механізмів надає на регульовану частину такий же ефект, як засунений, причому воно має велике значення, тому економія споживаної потужності тут не перевищує 10–15% від номінальної потужності машини.

Змінні параметри мережі істотно ускладнюють аналіз спільної роботи відцентрових механізмів з мережею. Енергетичну ефективність регульованого електроприводу в цьому випадку можна визначити у вигляді області, кордони якої відповідають граничним значенням параметрів мережі і швидкості відцентрового механізму.

Зауваження

На момент написання даного реферата магістерська робота ще не завершена. Приблизна дата завершення: травень 2017 р. Повный текст роботи, а також матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після вказаної дати.

Перелік посилань

1. Енергозберігаючий асинхронний електропривод // І.Я. Браславський, С.Д. Ішматов, В.Н. Поляков: Учеб. посібник для студ. вищ. навч. закладений. - М .: Видавничий центр «Академія», 2004. - 256 с.
2. Електропривод і автоматизація промислових установок як засобу енергозбереження / І.А. Авербах, Є.І. Барац, І.Я. Браславський, С.Д. Ішматов. - Єкатеринбург: Свердловгосенергонадзор, 2002. - 28 с.
3. Частотно-регульований асинхронний електропривод як засіб енергосбереженія / І.А. Авербах, Є.І. Барац, І.Я. Браславський, С.Д. Ішматов // Енергетика регіону. - Єкатеринбург, 2002. - №2 (45). - С. 34 - 35.
4. Регульовані електроприводи // Фираго Б. В., Павлячик Л. Б. - Мінськ: Техноперспектива, 2006.-363с.
5. Копилов В. П. Проектування електричних машин. — М: Енергія, 1980. 495с.
6. Проектування асинхронних двигунів// Сечін В. І., Розумних Е. В. - Хабаровськ: Вид-во ДВГУПС - 133с.
7. Лезнов Б. С. Енергозбереження і регульований привід у насосних установках. М.: ІК «Ягорба»-Биоинформсервис, 1998.