Основные виды электрооборудования, режимы его работы

В данном разделе рассматривается только такое электрооборудование систем электроснабжения, ко­торое представляет интерес для энергоаудитора: внутренние электросети, силовые трансформаторы, автономные источники электропитания и устройства для улучшения качества электрической энергии.

Кабели, воздушные линии электропередачи, шинопроводы

Основная доля потерь активной мощности в линиях электропередачи приходится на сети напряжением до 10 кВ, несмотря на то, что на эти сети приходится боль­шая часть расхода цветных металлов. Потери активной мощности ΔP_л в кабельных лини­ях можно найти по формуле:

, (3.2.2.1)

где I_л – ток в линии; R_л – сопротивление одной фазы линии.

С учетом известных выражений для тока в линии и ее сопротивления, формулу (1) можно записать следующим образом

, (3.2.2.2)

где: Р_л - мощность нагрузки, кВт; U _л.ном - номинальное линейное напряжение сети, кВ; ρ - удельное электрическое сопротивление материала жилы кабеля, Ом∙м; l_л - длина линии, м; S_л - сечение линии, м².

Из последней формулы видно, что потери в кабельных линиях можно уменьшить, увеличивая сечение кабелей, напряжение сети, коэффициент мощности и уменьшая длину линий. Особенно сильно влияет на потери, при прочих равных условиях, увеличение напряжения. Например, при переходе с напряжения 6 кВ на 10 кВ потери активной мощности в линиях уменьшатся в 10²/6² = 2,77 раза.

Экономию электроэнергии при переводе сети на более высокое напряжение можно рассчитать по фор­муле

, (3.2.2.3)

где: l_с - длина участка сети, на котором производится повышение номинального напряжения, м; I₁ и I₂ - средние значения токов в каждом проводе сети до и после повышения напряжения, A; S₁ и S₂ - сечения проводов до и после повышения напряжения (если провода не меняли, то S₁= S₂); t_p - расчетный период времени, ч.

Экономию электроэнергии при реконструкции сети без изменения напряжения можно рассчитать по формуле:

, (3.2.2.4)

где: I - среднеквадратичное значение фазного тока; l₁, ρ₁, S₁ и l₂, ρ₂, S₂ - длина, удельное сопротивление, сечение участка сети до и после реконструкции сети, t_р - расчетный период времени.

При изменении нагрузки изменяются потери напряжения в линиях электропередачи, поэтому практически во всех электросетях возникает проблема регулирования напряжения. По целесообразности применения способов и средств регулирования напряжений все электрические сети можно разделить на следующие три группы.

1. Электросети с однородной нагрузкой. Для таких сетей задача решается наиболее просто: регулирование напряжения можно осуществлять в центре питания способом встречного регулирования. При таком способе на шинах 6-10 кВ в период пиковых нагрузок поддерживается напряжение, повышенное на 5-10% по отношению к номинальному, а в период минимальных нагрузок напряжение снижается до номинального.

2. Электросети, неоднородные нагрузки которых подключены к отдельным линиям 6-20 кВ. Для таких сетей применяется дифференцированное ре­гулирование на разных секциях шин центра питания или регулирование линейными регуляторами, включенными на группы линий или отдельные ли­нии. Если дифференцированное регулирование напряжения в центре питания отсутствует, можно решать эту задачу с помощью средств местного регулирования. Для этого можно использовать конденсаторные батареи, оборудованные устройствами автоматического управления, или синхронные двигатели с устройствами автоматического управления током возбуждения. При «избыточном» количестве включенных конденсаторных батарей или при «перевозбуждении» синхронного двигателя в сеть генерируется реактивная энергия, что повышает напряжение в сети. Использование трансформаторов 6-10/0,4 кВ, снабженных ре­гулятором напряжения под нагрузкой (РПН), целесообразно лишь для потребителей, работающих в оптимальном режиме при определенных значениях напряжения, например, для некоторых типов электротермических установок.

3. Электросети с неоднородными нагрузками распределительных трансформаторов, присоединенных к общей линии. Оптимальные значения напряжений в таких сетях могут обеспечиваться сочетанием регулирования в центре питания и местного регулирования. Большое значение для поддержания оптимального напряжения имеет правильный вы­бор рабочей отпайки распределительного трансформатора. По мере удаления от центра питания роль местного регулирования напряжения возрастает.

Для регулирования напряжения применяются следующие средства:

· линейные регуляторы;

· управляемые батареи конденсаторов;

· синхронные двигатели с автоматическим регулированием тока возбуждения; синхронные компенсаторы;

· вольтодобавочные агрегаты с продольно-поперечным регулированием;

· силовые трансформаторы с РПН.

Силовые трансформаторы

Силовые трансформаторы служат для преобразования переменного тока одного напряжения в другое напряжение и применяются для передачи и распределения электроэнергии. В настоящее время на многих предприятиях используются трансформаторы, изготовленные более 20-30 лет назад.

Известно, что при старении трансформаторов потери активной мощности в них возрастают. Кроме того, изменились материалы, из которых сейчас изготавливают трансформа торы, изменилась и сама технология их изготовления Трансформаторы старой серии, изготовленные 40 и более лет назад, имеют более высокие активные потери холостого хода и короткого замыкания, по сравнению с трансформаторами новой серии. Это связано с применением для изготовления магнитопроводов горячекатаной стали.

В трансформаторах новой серии стали использовать холоднокатаную сталь с высокой магнитной проницаемостью и низкими потерями. Кpoме того, изменили схему шихтовки пластин магнитопровода, в результате чего потери снизились еще на 15-20%.

Замена трансформаторов старой серии исчерпавших полностью ресурс своей работы, позволит получить существенную экономию электроэнергии, особенно если вместо старых трансформаторов, работавших с неполной загрузкой, устанавливая трансформаторы меньшей мощности.

Сравнение потерь XX и КЗ некоторых трансформаторов старой и новой серии приведено в табл. 1. Из таблицы видно, что трансформаторы новой серии имеют даже при большей мощности существенно меньшие потерь активной мощности.

Таблица 3.2.2.1. Сравнение потерь в трансформаторах старой и новой серии

У силовых трансформаторов, в зависимости от типа, можно в небольших пределах ступенчато изменять коэффициент трансформации, переключаясь с одной отпайки на другую. Есть трансформаторы с регулированием напряжения под нагрузкой (имеющие устрой­ства РПН) и трансформаторы с переключением без напряжения (с устройствами ПБН). Регулируя напря­жение (9 ступеней по +1,33% при использовании РПН и 2 ступени по +2,5 % при использовании ПНБ), можно существенно снизить потери активной электроэнергии в электрооборудовании и осветительных приборах предприятия.

Потери активной электроэнергии в трансформаторе рассчитываются по формуле:

, кВт·ч (3.2.2.5)

- приведенные потери мощности холостого хода трансформатора, кВт;

- приведенные потери мощности короткого замыкания, кВт;

К_з = I_cp/I_н - коэффициент загрузки трансформатора по току;

DР_хх - потери мощности холостого хода, в расчетах следует принимать по каталогу равными потерям в стали (Для трансформатора ТМ-1000/10 DР_хх = 2,1 - 2,45 кВт);

DР_кз - потери мощности короткого замыкания; в расчетах следует принимать равными по каталогу потерям мощности в металле обмоток трансформатора (для приведенного выше трансформатора DР_кз = 12,2 - 11,6 кВт);

К_ип - коэффициент изменения потерь, зависящий от передачи реактивной мощности (для промышленных предприятий, когда величина его не задана энергосистемой, следует принимать в среднем равным 0,07), кВт/кВАр;

Т_о - полное число часов присоединения трансформатора к сети;

Т_р - число часов работы трансформатора под нагрузкой за учетный период;

DQ_xx = S_нт I_xx / 100 - постоянная составляющая потерь реактивной мощности холостого хода трансформатора, кВАр;

DQ_кз = S_нт U_k / 100 - реактивная мощность, потребляемая трансформатором при полной нагрузке, кВАр;

I_xx - ток холостого хода, % (1,4 - 2,8%);

U_k - напряжение короткого замыкания, % (5,5 %);

S_нт - номинальная мощность трансформатора, кВА (1000 кВА);

I_cp - средний ток за учетный период, А ;

I_н - номинальный ток трансформатора. (Потери активной мощности в режиме холостого хода названного выше трансформатора равны 4,41 кВт).

Потери реактивной энергии за учетный период(потери реактивной мощности в режиме холостого хода названного выше трансформатора - 28 кВт, суммарные потери - 32,41 кВт, что при цене 330 руб./кВт составит около 940 тыс. руб. за год):

. (3.2.2.6)

При подсчете потерь мощности в трехобмоточном трансформаторе пользуются выражением:

, (3.2.2.7)

где: , , - приведенные потери активной мощности в обмотках высшего (1), среднего (2), и низшего (3) напряжения; K_э1, K_э2, K_э3 - коэффициенты загрузок этих же обмоток.

Активные потери энергии в двухобмоточных трансформаторах в зависимости от степени их загрузки N_cp/N_ном равны:

DЭ_а = (А + В (N_cp/N_ном)²) N_ном·t/100, кВт·час (3.2.2.8)

DР_н.пот = А + В - мощность активных потерь трансформатора при работе на номинальной нагрузке в % от номинальной мощности трансформатора (%);

Э_а - общее потребление трансформатором активной мощности за отчетный (t) период, (кВт час);

N_cp - средняя мощность активной нагрузки трансформатора за отчетный период N_cp = Э/t (кВт);

N_ном - номинальная активная мощность трансформатора (кВт);

t - отчетный период эксплуатации трансформатора (час);

А - активная мощность потерь трансформатора при работе на холостой нагрузке в % от номинальной мощности трансформатора, (%);

В - активная мощность потерь трансформатора от составляющей нагрузки, в % от номинальной мощности трансформатора (%).

Таблица 3.2.2.2. Относительные данные для расчета потерь в высоковольтных масляных трансформаторах

*) Потери активной энергии в трансформаторе можно оценить по доле потерь от величины номинальной мощности трансформатора, которая зависит от среднего значения коэффициента загрузки трансформатора (К_з = I_cp / I_н = N_cp / N_ном) и продолжительности нахождения трансформатора под нагрузкой за отчетный период.

Мероприятия по экономии электроэнергии при использовании трансформаторов:

1. Отключение силовых трансформаторов в воскресные дни и в нерабочие смены дает экономию за счет отсутствия потерь холостого хода и повышения коэффициента мощности во внутризаводских сетях электроснабжения.

2. Замена трансформаторов старой серии на трансформаторы новой серии с пониженными потерями.

3. Отключение слабозагруженных трансформаторов с переброской нагрузки на другие трансформаторы (если это возможно и не снижает категорию надежности электроснабжения).

Автономные источники электропитания

Применение на предприятиях автономных источников питания расширяется по следующим причинам. В настоящее время тарифы на электроэнергию растут из года в год. Особенно заметно в послед­ние годы выросла плата за заявленную мощность при использовании двухставочных тарифов на электроэнергию. Например, в Москве за 1 кВт за­явленной мощности по тарифам СН в 2004 г. нуж­но было платить 286,5 руб. Структура финансовых затрат на электроэнергию существенно изменилась. Раньше примерно 2/3 всех затрат на электроэнергию у предприятий с неравномерным графиком суточной нагрузки составляла плата за израсходованную электроэнергию и 1/3 - за заявленную мощность. Сейчас все поменялось с точ­ностью до наоборот. Если на предприятии использовать автономные источники питания для снятия пиковых нагрузок в часы максимума потребления, то можно значительно снизить величину заявленной мощности. Это позволит получить существен­ную экономию финансовых средств, идущих на плату за заявленную мощность.

Энергоснабжающие организации часто требуют у потребителей 1-й категории надежности плату за потери холостого хода ре­зервных трансформаторов, которые необходимы для обеспечения этой категории. Использование автономных источников питания позволит обес­печить надежную работу электрооборудования предприятия даже при переходе на более низкую категорию электроснабжения от сторонних источ­ников.

При увеличении объемов производства часто воз­никает необходимость увеличения объемов расхо­да электроэнергии. Проведение дополнительных линий электропередачи может оказаться менее выгодным по сравнению с использованием авто­номных источников питания.

Устройства для улучшения качества электрической энергии

Фильтры высших гармонических составляющих на­пряжения. Самым эффективным средством уменьше­ния значений высших гармоник в настоящее время являются резонансные фильтры, состоящие из после­довательно соединенных емкости, индуктивности и демпфирующего активного сопротивления. Каждый фильтр настраивается в резонанс на частоту той выс­шей гармоники, которую нужно уменьшить. Такой фильтр имеет малое сопротивление на резонансной частоте, и токи гармонической составляющей этой частоты шунтируются фильтром.

Симметрирующие устройства. Для симметрирования нагрузки в настоящее время используются симметрирующие устройства, как правило, статические. Такие устройства состоят из индуктивностей и емкостей.

Для однофазных установок с коэффициентом мощности, близким к единице (например, печи сопротивления), рекомендуется схема Штейнметца; для установок, коэффициент мощности которых равен или может быть доведен до 0,866, рекомендуется схема с реактором-делителем (рис. 1). Если установка работает с постоянной нагрузкой, то обычно используется неуправляемое симметрирующее устройство. Для установок с изменяющейся нагрузкой (например, нагрузка ти­гельных индукционных печей по ходу плавки изменяется) используют управляемые симметрирующие устройства (при питании установок от трехфазных трансформаторов симметрирующие устройства устанавливают на стороне НН трансформатора). Управление устройством осуществляется изменением числа включенных конденсаторных банок и переключением отпаек реактора.

Рис.3.2.2.1. Симметрирующие устройства:

а) по схеме Штейнметца; б) с реактором-делителем.

Компенсаторы реактивной мощности. Компенсация может быть индивидуальной, групповой и централизованной. Самая эффективная из них - индивидуальная, когда источник реактивной мощности устанавливается непосредственно вблизи крупного потребителя. Объясняется это тем, что передача реактивной энергии по линиям электропередачи и через трансформаторы вызывает дополнительные потери активной мощности и напряжения, поэтому устройства для генерирования реактивной мощности стараются установить вблизи потребителей.

Для компенсации реактивной мощности используются конденсаторные батареи (статические компенсаторы) и синхронные машины.

Необходимо оценить эффективность работы компенсационных устройств, проанализировать влияние изменение cos j на потери в сетях в течение суток , подобрать режимы эксплуатации косинусных батарей и при наличии синхронных двигателей, работающих в режиме компенсации реактивной мощности, использовать автоматическое управление током возбуждения.

Реактивная мощность при синусоидальном напряжении однофазной сети равна Q = U I sin j = Р tg j, в трехфазной сети - как алгебраическая сумма фазных реактивных мощностей. Уровень компенсируемой мощности Q_k определяется как разность реактивных мощностей нагрузки предприятия Q_п и представляемой предприятию энергосистемой Q_э:

Q_k = Q_п - Q_э = Р_ср (tg j_п - tg j_э) (3.2.2.9)

где: Р_ср - среднегодовая нагрузка предприятия, кВт. Р_ср можно найти, разделив годовое потребление активной энергии А, (кВт∙ч) на годовое число часов работы предприятия Т, (ч). Параметр А можно взять по показаниям счетчиков активной энергии.

Основными источниками реактивной мощности на коммунальных предприятиях являются:

• Асинхронные двигатели (45 - 65%).

• Трансформаторы всех ступеней трансформации (20 - 25%).

Таблица 3.2.2.3. Влияние увеличения cos j на снижение реактивных потерь

Таблица 3.2.2.4. Рекомендуемая емкость статических конденсаторов для корректировки единичных асинхронных двигателей

Рис. 3.2.2.2. Правильная компенсация реактивной мощности электродвигателя

На рис . 3.2.2.2 представлены: трансформатор (1), электродвигатель (2) и конденсатор (3). В примере без использования конденсатора нагрузка на трансформатор и электрическую сеть увеличивается из-за реактивной мощности (пунктирная стрелка). Этого можно избежать, как в примере справа, когда только активная мощность (жирная стрелка) влияет на нагрузку.

Перечень мероприятий, позволяющих повысить cos j:

• Увеличение загрузки асинхронных двигателей.

• При снижении до 40% мощности, потребляемой асинхронным двигателем, переключать обмотки с треугольника на звезду. Мощность двигателя при этом снижается в 3 раза.

• Применение ограничителей времени работы асинхронных двигателей и сварочных трансформаторов в режиме, холостого хода (XX).

• Замена асинхронных двигателей синхронными.

• Применение технических средств регулирования режимов работы электродвигателей.

• Нагрузка трансформаторов должна быть более 30% номинальной мощности.

Технические средства компенсации реактивной мощности:

• Синхронные электродвигатели в режиме перевозбуждения.

• Комплектные конденсаторные батареи.

• Статические компенсаторы (управляемые тиристорами реакторы или конденсаторы).

Общие требования - компенсаторы должны быть приближены к генераторам реактивной мощности.

Синхронные двигатели (СД) широко используются в промышленности и наряду с функциями привода различных механизмов позволяют поддерживать оп­тимальные значения коэффициента мощности в сети электроснабжения, генерируя в сеть реактивную мощ­ность.

Компенсирующая способность СД сильно зависит от тока возбуждения I_в, при номинальном значении последнего она имеет наибольшее значение. При снижении I_в на 20 % компенсирующая способность СД (например, при cosφ = 0,8 и нагрузке 70 %) пада­ет на 45 %. При эксплуатации СД, для того чтобы двигатель меньше нагревался, часто снижают ток возбуждения.

Потери активной мощности в СД наименьшие при cosφ = 1. В режиме перевозбуждения (режим генера­ции реактивной мощности) потери в СД существенно выше, чем в режиме недовозбуждения. В связи с этим в ряде случаев установка конденсаторных батарей по приведенным капитальным затратам может оказаться более экономичной, чем использование СД для гене­рации реактивной мощности.

Использование СД мощностью >1000 кВт при частоте вращения >600 об/мин экономически выгоднее, чем использование конденсаторных батарей. СД малой мощности и тихоходные не выгодно использовать для компенсации реактивной мощности.

Синхронные компенсаторы (СК) предназначены для генерации реактивной мощности в сеть электро­снабжения, а также для регулирования напряжения сети. Крупные СК используются в основном на подстанциях энергосистем. СК не выполняют механиче­скую работу, поэтому они имеют меньший воздушный зазор и облегченный вал.

Основные понятия об электрических нагрузках и о графиках использования электроустановок

При энергетических обследованиях большое зна­чение имеет анализ графиков нагрузок мощных электропотребителей. График нагрузки берется за время, кратное времени законченного технологического цикла t_ц. По регулярности нагрузки графики подраз­деляются на периодические, циклические, нециклические и нерегулярные (см. рис. 3.2.2.3).

Периодические графики (см. рис. 3.2.2.3, а) имеют место при поточном производстве. Время цикла таких нагрузок постоянно и равно:

(3.2.2.10)

где: t_р и t_о — время работы и остановки (паузы), которые также постоянны.

Цикличный график (см. рис. 3.2.2.3, б) соответствует непоточному производству, время пауз различно, но характер и продолжительность рабочих интервалов неизменны.

У нецикличного и нерегулярного графиков (см. рис. 3.2.2.3., в, г) рабочее время, время остановок и врем циклов различно.

Различают следующие режимы работы.

1. Продолжительный режим, когда при работе с не­изменной нагрузкой время работы достаточно достижения всеми частями оборудования установившихся значений температур.

2. Кратковременный номинальный режим такой, ког­да периоды неизменной номинальной нагрузки чередуются с периодами отключения. Температура нагрева частей оборудования не достигает устано­вившихся значений, а при отключении происходит охлаждение до температуры окружающей среды.

3. Повторно-кратковременный номинальный режим (ПКР) - это режим, при котором кратковремен­ные периоды неизменной номинальной нагрузки чередуются с периодами отключения, причем как рабочие периоды, так и паузы недостаточно длин­ны, и температура не достигает установившихся значений.

Потребление электроэнергии при использовании электроприводов [6, 13]

Электроприводом (ЭП) называется электромехани­ческая система, состоящая из электродвигательного, преобразовательного, передаточного и управляющего устройств и предназначенного для приведения в дви­жение исполнительных органов рабочей машины и управления этим движением.

Электропривод является одним из основных по­требителей электроэнергии. По оценкам специалис­тов, на электропривод приходится до 70 % всей по­требляемой электроэнергии.

Основное условие эффективной работы электро­привода — это соответствие электрической мощности двигателя и требуемой механической мощности. При недогрузке двигателя снижается его КПД и коэффици­ент мощности, при перегрузке двигатель перегревает­ся и выходит из строя.

Годовое потребление электроэнергии электродви­гателем во много раз превышает его стоимость, поэто­му если электродвигатель не соответствует требуемой механической мощности и работает с большой недо­грузкой, то его надо заменять двигателем меньшей мощности.

Если привод работает в длительных режимах без частых включений и отключений электродвигателя, то во многих случаях целесообразно заменить обычный двигатель на энергоэффективный. Такие двигатели имеют более широкие возможности работы в терми­чески перегруженном состоянии, легче в обслужива­нии и потребляют на 25 % меньше электроэнергии. Кроме того, они не шумят и менее требовательны к от­клонениям напряжения. Такие двигатели особенно эффективны при нагрузке в 70 %, т. е. при наиболее распространенной нагрузке. Стоимость энергоэффективных электродвигателей на 30-60 % выше, чем обычных, но их применение окупается.

Рис. 3.2.2.3. Разновидности графиков индивидуальных нагрузок:

а) - периодический; б) - цикличный; в) - нецикличный; г) - нерегулярный

Часто возникает необходимость в применении ре­гулируемого электропривода. Это либо диктуется тре­бованиями технологического процесса, например, если требуется изменить скорость ленты конвейерной печи до оптимального значения, либо изменениями нагрузки, например у нагнетательного оборудования. Примерные значения экономии электроэнергии при замене нерегулируемого привода на регулируемый будут следующие: для насосов - 20 %, для воздухо­дувок и вентиляторов - 30 %, для компрессоров - 40÷50 % и для вентиляционных систем -50 %.

В данной работе невозможно дать информацию по всем видам электроприводов, применяемых в про­мышленности и ЖКХ, поэтому приведем общие ме­роприятия по экономии электроэнергии при использо­вании электропривода.

Малозатратные мероприятия:

· качественное техническое обслуживание всех элементов электропривода,

наличие графика ППР и контроль за его соблюдением;

· дисциплина труда, своевременное отключение электропривода, недопущение его длительной работы на холостом ходу;

· применение таймеров холостого хода.

Среднезатратные мероприятия:

· использование устройств мягкого пуска двига­теля.

Асинхронные электродвигатели

Наиболее мощным потребителем электроэнергии на промышленных предприятиях являются электро­двигатели, которые потребляют до 80 % всей выраба­тываемой электроэнергии. Двигатели бывают пере­менного и постоянного тока. Двигатели переменного тока подразделяются на асинхронные и синхронные.

Асинхронные двигатели получили наибольшее распространение как наиболее простые, надежные и дешевые. Асинхронные двигатели (АД) бывают с фаз­ным ротором и с короткозамкнутым ротором. АД с фазным ротором сложнее и дороже АД с короткозамкнутым ротором, у них более низкий коэффициент мощности. АД с фазным ротором в режиме пуска ра­ботает, как обычный АД с короткозамкнутым рото­ром. В рабочем режиме АД с фазным ротором имеет свойства синхронного двигателя: регулируя ток воз­буждения, можно регулировать cosφ, двигатель имеет КПД выше, чем у обычного АД на 0,6-3,5 % , он ме­нее чувствителен к колебаниям напряжения питания, и его вращающий момент пропорционален напряже­нию питания, а не квадрату напряжения, как у обыч­ного АД.

Электродвигатели закрытого и взрывозащищенного типов имеют меньший коэффициент мощности па сравнению с открытыми, поэтому их применение должно быть обосновано.

Электрические потери в двигателях можно разбить на следующие:

• потери электроэнергии в обмотках двигателя Они пропорциональны активному сопротивле­нию обмоток и квадрату тока нагрузки. Эти по­тери вызывают нагрев обмоток;

• потери в стали (потери намагничивания). Эти потери не зависят от нагрузки двигателя и зависят' лишь от напряжения питания;

• потери на рассеивание магнитного потока. Эти потери зависят от нагрузки;

• потери на трение. Зависят от скорости вращения двигателя, но не зависят от нагрузки.

При снижении загрузки электродвигателей растает доля потребления реактивной мощности по отношению к активной, что приводит к уменьшению коэффициента мощности, КПД двигателя снижается.

Например, двигатель мощностью 5 кВт, имеющий КПД 80% при номинальной загрузке, при загрузке 50% снижает свой КПД до 55 %. Двигатель мощностью 150 кВт при тех же загрузках имеет КПД соответ­ственно 90 и 65 %. При загрузке асинхронного двига­теля менее 45 % его целесообразно менять на другой двигатель с соответствующей номинальной мощностью. При загрузке более 70 % замена двигателя нецелесо­образна. При загрузке 45-70 % требуется проводить экономический расчет целесообразности замены дви­гателя.

Потери активной мощности в электродвигателе равны:

, (3.2.2.11)

где Q_х = √3∙U_д.ном∙I_х ­­­- реактивная мощность, потребляемая двигателем на холостом ходу, кВар; I_х –ток холостого хода двигателя, А; U_д.ном – номинальное напряжение двигателя, В; К_з= Р/Р_д.ном - коэффициент загрузки двигателя; Р_д.ном – номинальная мощность двигателя, кВт; Р – средняя мощность загрузки двигателя, кВт; ΔР_а.н. = ΔР_х/γ – прирост активной мощности в двигателе при 100%-ной нагрузке, кВт; Q_д.ном = (Р_д.ном/η_д)∙tgφ_ном – реактивная мощность двигателя при номинальной нагрузке, кВар; η_д – КПД двигателя при полной нагрузке; tgφ_ном – номинальный коэффициент реактивной мощности двигателя; К_и.п. – коэффициент изменения потерь, кВт/кВар; ΔР_х – активные потери холостого хода двигателя, кВт:

(3.2.2.12)

где γ = ΔР_х/ΔР_а.н. – расчетный коэффициент, зависящий от конструкции двигателя, его можно найти из выражения:

, (3.2.2.13)

где ΔР_х% - потери холостого хода активной мощности, потребляемой двигателем при 100% загрузке (в процентах).

Коэффициент мощности асинхронного двигателя также снижается при неполной нагрузке: при номи­нальной нагрузке cosφ = 0,85, при 50 %-ной нагруз­ке - 0,74 и при нагрузке 25 % - 0,56.

Повысить КПД двигателя, работающего с непол­ной нагрузкой, можно путем снижения напряжения питания. Это можно сделать, например, с помощью тиристорного регулятора напряжения. Снижая напря­жение питания электродвигателя, уменьшаем потери в стали, повышая тем самым его КПД.

Снижение с помощью регулятора напряжения питания электродвигателя позволяет уменьшить магнитное поле в стали, которое избыточно для рассматриваемого режима нагрузки, снизить потери в стали и уменьшить их долю в общей потребляемой мощности, т.е. повысить КПД двигателя. Сам регулятор напряжения (обычно в тиристорном исполнении) потребляет мало энергии. Его собственное потребление становится заметным, когда двигатель работает на полной нагрузке. Часто в режиме холостого хода потребляется почти столько же энергии, сколько необходимо для работы при низкой загрузке. Переключение обмоток двигателя мощностью 7,5 кВт, работающего в номинальном режиме (линейное напряжение равно 380 В) по схеме "треугольник", на схему «звезда» при работе на пониженной нагрузке 1 кВт (режим холостого хода) позволяет уменьшить потери с 0,5 кВт до 0,25 кВт.

Автоматическое переключение обмоток со схемы "треугольник D" на схему соединения "звезда >-" в зависимости от нагрузки является простейшей схемой регулирования двигателя, длительное время работающего на малой нагрузке. Необходимо избегать работы двигателя в режиме холостого хода.

В установках с регулируемым числом оборотов (насосы, вентиляторы и др.) широко применяются регулируемые электроприводы. Оценочные значения экономии электроэнергии при применении регулируемого электропривода в вентиляционных системах, работающих в переменных режимах - 50%, в компрессорных системах - 40 - 50%, в воздуходувках и вентиляторах - 30%, в насосных системах - 25%.

<