Энергосбережение средствами электропривода

Громадная доля электроэнергии, потребляемая электроприводом, — до 65 в развитых странах, и осуществление электроприводом практически всех технологических процессов, связанных с движением, делают особенно актуальной проблему энергосбережения в электроприводе и

средствами электропривода. В мировой практике к настоящему времени сформировалось несколько основных направлений, по которым интенсивно ведутся исследования, разработки, осуществляются крупные промышленные проекты.

1. В нерегулируемом электроприводе, реализованном на основе асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором, много внимания уделяется так называемым энергоэффективным двигателям, в которых за счет увеличения массы активных материалов, их качества, а также за счет специальных приемов проектирования удается поднять на 1 — 2 %(мощные двигатели) или на 4 — 5 % (небольшие двигатели) номинальный КПД при некотором увеличении цены двигателя.

Этот подход, используемый и активно рекламируемый с 70-х годов сначала в США, затем в Европе, может приносить пользу, если технологический процесс действительно не требует регулирования скорости, если нагрузка меняется мало и если двигатель правильно выбран. Во всех других случаях использование более дорогих энергоэффективных двигателей может оказаться нецелесообразным,

2. Правильный выбор двигателя для конкретного технологическогопроцесса — один из важнейших путей энергосбережения. В европейской практике принято считать, что средняя загрузка двигателей составляет0,6, тогда как в нашей стране, где до недавнего времени не было принято экономить ресурсы, этот коэффициент составляет 0,3 — 0,4, т.е. привод работает с КПД значительно ниже номинального. Завышенная «на всякий случай» мощность двигателя часто приводит к незаметным на первый взгляд, но очень существенным отрицательным последствиям в обслуживаемой электроприводом технологической сфере, например к излишнему напору в гидравлических сетях, связанному с ростом потерь, снижению надежности и т.п.

3. Выбор рациональных в конкретных условиях типов электропривода способов управления, обеспечивающих минимизацию потерь в силовом канале, - важный элемент в общей проблеме энергосбережения.

Характерный пример энергосбережения в нерегулируемом электроприводе с асинхронным двигателем, работающим часть цикла с малой нагрузкой или вхолостую, — снижение напряжения при уменьшении нагрузки. В простейшем случае это может быть реализовано переключением обмоток статора с треугольника (нормальный режим) на звезду. Другое решение — использование ТРН (см. п. 4.4.2).

Потери в линиях, питающих электропривод, могут быть уменьшены посредством применения различных устройств, компенсирующих

потребляемую электроприводом реактивную мощность и повышающих вследствие этого коэффициент мощности (см. § 6.1).

4. Основной путь энергосбережения средствами электропривода — подача конечному потребителю — технологической машине — необходимой в каждый момент мощности. Это может быть достигнуто посредством управления координатами электропривода, т.е. за счет перехода от нерегулируемого электропривода к регулируемому. Этот процесс стал в последние годы основным в развитии электропривода в связи с появлением доступных технических средств для его осуществления — ПЧ и т.п.

Ожидается, что переход от нерегулируемого электропривода к регулируемому в технологиях, где это требуется, может сэкономить до 30 % электроэнергии. В одной из технологий — в водо- и воздухоснабжении — переход к регулируемому электроприводу, как показал опыт, экономит около 50 % электроэнергии, до 25 % воды и до 10 % тепла.

6.6. Упражнения

6.6.1. Нерегулируемый электропривод вентилятора работает непрерывно постоянной нагрузкой Р = 0,9 ( = Н кВт, = 88,5 %,

цена ). Обсуждается вопрос о замене двигателя на эффективный с ц еной Имеет ли смысл замена, если установленный ранее двигатель не будет использоваться? Если он будет реализован за 0,6 базовой цены? При оценках принять цену электроэнергии

6.6.2. Электропривод пресса работает 14 ч в сутки со следующим Циклом:

г\ =• Определите цикловой КПД, сравните с номинальным. Имеет ли смысл замена двигателя на энергоэффективный (см. условия задачи 6.6.1)?

Предложите в общем виде обоснованный алгоритм сравнения различных технических решений электропривода какой-либо установки по энергетическим показателям.

6.6.4. Энергоснабжающие организации обычно требуют от потребителей поддержания высокого коэффициента мощности. Когда это требование особенно существенно? Почему?

6.6.5*. Сопоставьте рассмотренные в 6.1 и 6.2 энергетические показатели. Приведите примеры ситуаций, в которых следует использовать каждый из них.

6.6.6. Предложите обоснованный алгоритм сравнения по энергетическим показателям двух конкурирующих технических решении электропривода подъемной лебедки.

6.6.7. Сформулируйте и приведите обоснования принципиального энергетического различия частотного (f- var) и параметрического {/ == const) способов регулирования скорости асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.

6.6.8. Электродвигатель (см. Приложение 2) приводит во вращение вентилятор, обеспечивающий проветривание транспортного

туннеля, . В целях энергосбережения предполагается в часы неинтенсивного движения снижать частоту вращения. Можно ли это сделать и в каких пределах, применив ТРН? Можно ли использовать ПЧ?

6.6.9. Для параметрического электропривода ( ) были разработаны специальные электродвигатели.

6.6.10. Один из них (тип4АМН1608В2РД) имеет следующие каталожные данные: высота оси вращения 160 мм, номинальная мощность 7,5 кВт, масса 115кг, номинальная частота вращения 2550 об/мин, номинальный КПД 73 %, номинальный = 0,77, мощность на валу при различных частотах вращения:

Сопоставьте эти данные с данными обычного двигателя той же мощности. Какую мощность мог бы развивать, не перегреваясь обычный двигатель, номинальная мощность которого 7,5 кВт, при параметрическом регулировании и указанных частотах вращения? С вентилятором, какой номинальной мощности он мог бы работать?

6.6.10. Определите время частотного пуска электропривода с характеристиками, показанными на рисунке, чтобы полные потери энергии при пуске не превышали 1000 Дж ( = 0).

6.6.11*. Оцените потери энергии в следующих динамических режимах двигателя А112М2 (см. Приложение 2) при и

прямое включение на сеть;

управление пуском посредством ТРИ, ;

динамическое торможение; реверс путем изменения чередования фаз; частотный пуск за время - 15

частотный реверс за время = 15

Сравните результаты с потерями энергии в номинальном режиме ( ) за время соответствующего переходного процесса. Сделайте выводы.

6.6.12. Оцените потери энергии при пуске двигателя А132М4 (см. Приложение 2} с для следующих условий:

прямое включение на сеть, тоже,

частотный пуск с

Сравните результаты, сделайте выводы.

6.6.13. Асинхронный электродвигатель АИР160М2 (см. Приложение 2),вращающий вентилятор, выбран «с запасом» и загружен наполовину номинальной мощности. Что выгоднее — заменить его на энергоэффективный той же мощности, но имеющий на 3 % больший КПД и на 20 % большую цену, или на обычный меньшей мощности?

6.6.14*. Электропривод работает по циклу на рисунке с n = const. Известны двигатель, приведенный момент инерции механизма J'_M , число рабочих часов в году t_f, параметры цикла P_f, /,, цена электроэнергии С_э.Требуется разработать мероприятия, минимизирующие потребление энергии: замена двигателя? отключение вместо холостого хода? применение ТРН?

Сформулируйте ваши общие предложения с необходимыми обоснованиями.

Проведите конкретный анализ, если:

2 мин; 2 мин; 6 мин;

1 кВт,

двигатель АИР16082 (см. Приложение 2), = 0,07 кг • , = 2000 ч, = 0,7 руб./(кВт • ч). Не забудьте оценить срок окупаемости дополнительных капиталовложений, если таковые используются, и годовой экономический эффект.

6.6.15. В электроприводе прессов (см. нагрузочную диаграмму) используют маховики. Зачем?

Постройте M(t), объясните, рассмотрев потери в цикле без маховика и с маховиком.

6.6.16. В пятиэтажном доме установлен насосКМ65-50-125 (см. Приложение 4). Напор в магистральной сети 2 м, расход воды 20—25 м /ч. Будет ли экономически целесообразным установка ПЧ (см. Приложение 3), если стоимость электроэнергии i a

цена ПЧ 100 У.Е./кВт? Оцените срок окупаемости.

6.6.17. Какой насос (см. Приложение 4) следует установить в 12-этажномдоме, если напор в магистральной сети 2—3 м, а расход около

50 м /ч? Каким двигателем следует укомплектовать насос? Целесообразно ли оборудовать насосный агрегат ПЧ (см. задачу 6.6.16)?

6.6.18. Вентилятор, работающий в автотранспортном туннеле, имеет номинальные производительность (расход) 8000 м /ч и давление 7000 Па и обеспечивает удовлетворительную вентиляцию в часы пик. В период неинтенсивного движения достаточно 20 % номинальной производительности. Постройте ориентировочный суточный график Q(t) и сопоставьте энергопотребление для этого графика при регулировании производительности дросселированием и изменением частоты вращения (см. Приложение 4).

Резюме

Любой процесс передачи и преобразования энергии сопровождается ее потерями.

Энергетическую эффективность процесса в каждый момент времени можно оценить посредством КПД, определяемого через входную и

выходную мощности и мощность потерь

Энергетическими характеристиками изделия (двигатель, преобразователь и т.п.) служат номинальный КПД зависимость КПД от относительной нагрузки или скорости.

Электроприводы переменного тока характеризуются, кроме того, коэффициентом мощности.

Если нагрузка привода заметно меняется во времени, следует пользоваться оценками, определяемыми по энергиям за некоторое время, в частности энергиями за цикл: Тогда

цикловой КПД определится как полезная энергия за цикл.

.

При неоднонаправленных потоках энергии (разгон — торможение, подъем — спуск и т.п.) объективные оценки можно получить, воспользовавшись обобщенным КПД, основанным на определении энергии по фор-

Потери в электрической машине при и удобно представлять в виде двух составляющих — постоянной и переменной

В регулируемом электроприводе потери определяются способом регулирования.

При ( (реостатное регулирование, параметрическое регулирование асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором). При реостатном регулировании лишь часть потерь выделяется в двигателе, остальные — в реостате. В каскадных схемах мощность Д/*₂ передается в сеть. Особенно неблагоприятно параметрическое регулирование: все потери выделяются в машине и нагревают ее, в связи с чем

При потери сравнительно невелики и эти способы (системы преобразователь — двигатель) предпочтительны с точки зрения потерь.

Потери в роторной (якорной) цепи в переходных процессах, отнесенных ранее к первой группе, весьма значительны и при работе вхолостую определяются запасом кинетической энергии и диапазоном скольжений:

в асинхронном двигателе эти потери должны быть увеличены в 1 раз, чтобы учесть потери в цепи статора. Нагрузка увеличивает

потери при пуске в i раз и уменьшает при торможении в

раз.

Потери энергии в переходных процессах в системе преобразователь— —двигатель могут быть существенно уменьшены по сравнению с потерями при прямых включениях на сеть за счет увеличения времени переходного процесса.

Энергосбережение в электроприводе и средствами электропривода в обслуживаемых технологиях осуществляется путем правильного выбора параметров основного оборудования (двигателя), использования энергоэффективных двигателей с повышенным КПД, обоснованным применением рациональных способов регулирования и, главным образом, переходом от нерегулируемого электропривода к регулируемому.

* * *

Не рассмотрены вопросы взаимодействия электропривода с питающей сетью, компенсации реактивной мощности, фильтрокомпенсирующне устройства. Очень кратко, в самых общих чертах, изложены проблемы энергосбережения.

Глава седьмая