ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ И ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСАХ Учебно-методическое пособие МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВЯТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» Политехнический институт Электротехнический факультет Кафедра электроснабжения ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ И ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСАХ Учебно-методическое пособие Киров 2022 УДК 621.311(07) Э653 Допущено методическим советом электротехнического факультета ВятГУ в качестве учебно-методического пособия для студентов направления 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника» всех профилей подготовки и всех форм обучения Составители: к. т. н., зав. кафедрой ЭПС ВятГУ В. Г. Басманов; к. т. н., доцент кафедры электроснабжения ВятГУ В. М. Холманских Рецензент к. т. н., доцент кафедры электроэнергетических станций ВятГУ, А. В. Бессолицын Э653 Энергосберегающие технологии в электроэнергетике и электротехнических комплексах : учеб.-метод. пособие / сост. В. Г. Басманов, В. М. Холманских. – Киров : ВятГУ, 2022. – 75 с. В учебно-методическом пособии рассматриваются практические вопросы, связанные с технико-экономической оценкой эффективности использования регулируемых электроприводов и использования энергосберегающих систем и алгоритмов управления электроприводами с асинхронными электродвигателями. Учебно-методическое пособие предназначено для студентов направления 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника» всех профилей подготовки и всех форм обучения при изучении дисциплины «Энергосберегающие технологии в электроэнергетике и электротехнических комплексах» и других дисциплин, в которых рассматриваются вопросы, изложенные в учебно-методическом пособии УДК 621.311(07) © ВятГУ, 2022 ОГЛАВЛЕНИЕ Введение ....................................................................................................................... 6 Общие методические указания к оформлению контрольных работ........................... 9 Практика № 1, 2, (4 часа) Технико-экономическая оценка энергоэффективности использования регулируемых электроприводов ............... 9 Контрольная работа № 1 ........................................................................................ 17 Практика № 3, 4 (4 часа) Технико-экономическая оценка эффективности использования топливно-энергетических ресурсов на компрессорных станциях магистральных газопроводов ................................. 19 Контрольная работа № 2 ........................................................................................ 22 Практика № 5, 6 (4 часа) Оценка энергоэффективности реостатного и частотного регулирования скорости асинхронного двигателя ......................... 23 Контрольная работа № 3 ........................................................................................ 37 Практика № 7 (2 часа) Расчёт экономии электроэнергии при замене электропривода с реостатным регулированием скорости на электропривод с частотным регулированием ................................................... 38 Контрольная работа № 4 ........................................................................................ 40 Практика № 8 (2 часа) Оценка эффективности использования энергоэффективных электродвигателей ................................................................. 42 Контрольная работа № 5 ........................................................................................ 44 Литература ................................................................................................................. 46 Приложение 1 ............................................................................................................ 49 1.1 Обоснование эффективности использования электрической энергии регулируемыми электроприводами ...................................................................... 50 1.2 Обоснование эффективности использования электроприводами топливно-энергетических ресурсов ...................................................................... 55 1.3 Обоснование эффективности эксплуатационно-технических характеристик регулируемых электроприводов ................................................. 63 Приложение 2 ............................................................................................................ 64 2.1 Энергетические характеристики электроприводов с реостатным регулированием .............................................................................. 66 2.2 Энергетические характеристики электроприводов с параметрическим регулированием .................................................................... 67 2.3 Энергетические характеристики электроприводов с частотным регулированием ................................................................................ 69 Приложение 3 ............................................................................................................ 72 5 Введение Дисциплина «Энергосберегающие технологии в электроэнергетике и электротехнических комплексах» предусмотрена учебным планом магистратуры направленности 13.04.02.01 «Системы электроснабжения и управление ими». Главное место в энергосберегающих технологиях в электроэнергетике и электротехнических комплексах в настоящее время занимают энергосберегающие системы и алгоритмы управления электроприводами с асинхронными электродвигателями Известно, что электропривод с асинхронными двигателями потребляет до 70% всей вырабатываемой электрической энергии. Абсолютное значение доли потерь электрической энергии также приходится на электроприводы и составляет около 80% [5]. Поэтому на первое место в обеспечении энергоэффективности и конкурентоспособности выходят вопросы рационального и эффективного использования электрической энергии в электроприводе различных машин и механизмов комплексов и систем. В предшествующей дисциплине «Особенности электроснабжения потребителей с электромеханическими преобразователями электрической энергии» были рассмотрены основные энергетические характеристики асинхронных электродвигателей - коэффициенты мощности и нагрузки частотного привода, состав показателей качества электрической энергии и показателей электромеханического преобразования, технические средства для обеспечения энергетической совместимости. Особое место было уделено теоретическому изучению 3 проблем: электромагнитная совместимость; электромеханическая совместимость и энергетическая совместимость. Современные алгоритмы управления преобразовательной техникой и технические средства позволяют решить эти проблемы и повысить энергетические характеристики электроприводов 6 В данном учебно-методическом пособии на основе предшествующего курса рассмотрены следующие практические вопросы: технико-экономическая оценка эффективности использования регулируемых электроприводов и использование энергосберегающих систем и алгоритмов управления электроприводами с асинхронными электродвигателями. На практических занятиях студенты изучают четыре темы и соответствующие к ним примеры решения восьми 8 задач, на основании которых выполняют пять контрольных работ. Тема 1. Технико-экономическая оценка эффективности использования регулируемых электроприводов Задача 1. Расчёты экспресс-анализа и оперативного анализа энергетической эффективности двух электротехнических комплексов с электроприводами. Задача 2. Определение экономии электроэнергии и срока окупаемости регулируемого электропривода при замене им системы дросселирования. Задача 3. Расчет энергетической и экономической эффективностей от применения частотно-регулируемого электропривода на питательном насосе энергоблока теплоэнергетической станции. Тема 2. Технико-экономическая оценка энергоэффективности использования топливно-энергетических ресурсов на компрессорных станциях магистральных газопроводов. Задача 4. Расчет и оценка энергоэффективности газоперекачивающих агрегатов и системной эффективности компрессорных цехов с электрическими и газотурбинными приводами газоперекачивающих агрегатов. Тема 3. Использование энергосберегающих систем и алгоритмов управления электроприводами с асинхронными электродвигателями Задачи 5, 6. Оценка энергоэффективности реостатного и частотного регулирования скорости асинхронного двигателя. 7 Задача 7. Расчёт экономии электроэнергии при замене электропривода с реостатным регулированием скорости на электропривод с частотным регулированием скорости асинхронного двигателя. Тема 4. Использование энергоэффективных электродвигателей в промышленных электроприводах Задача 8. Оценка эффективности использования энергоэффективных электродвигателей. Основная цель учебно-методических указаний состоит в том, чтобы научить студентов решать практические задач по расчёту энергоэффективности использования регулируемых электроприводов. При составлении настоящих методических указаний были использованы отдельные методические материалы учебника Б.Ю. Васильева [5] для магистров и бакалавров по направлению «Электроэнергетика и электротехника» и других электротехнических и энергетических направлений подготовки специалистов различных профилей и уровней. В трех приложениях представлен необходимый теоретический материал. 8 Общие методические указания к оформлению контрольных работ При выполнении контрольных работ должны быть соблюдены следующие обязательные условия: 1) Варианты задач определяет преподаватель. 2) Текстовой расчёт и материал должен быть выполнен на компьютере в формате Microsoft Word (поля обычные, шрифт Times New Roman № 14, междустрочный интервал 1,15). Оформление работ должно полностью соответствовать оформлению примеров решения задач, приведённых в настоящем учебнометодическом пособии. Арифметическая правильность вычислений является обязательным условием защиты контрольных работ. Практика № 1, 2, (4 часа) Технико-экономическая оценка энергоэффективности использования регулируемых электроприводов Задание. Изучить соответствующий теоретический материал (см. приложения), последовательность решения задач 1, 2, 3 и выполнить контрольную работу № 1. Задача 1. Произвести расчёты экспресс-анализа и оперативного анализа энергетической эффективности двух электротехнических комплексов с электроприводами. Исходные данные: базовый комплекс – система с нерегулируемым электроприводом; новый комплекс – система с регулируемым электроприводом и преобразователем частоты; номинальная мощность асинхронного двигателя 57 кВт, номинальная скорость вращения 2933 об/мин. Среднее время работы комплекса 21 час в сутки. Данные для проведения экспресс-анализа приведены в табл. 1. Данные для проведения оперативного анализа приведены в табл. 2. 9 Таблица 1 Экспресс-анализ ресурсосбережения Показания приборов Дата Часы Потребленная мощность, кВт·ч Расход воды, м3 Базовая система 13.03.12 13.00 06 476 040 512 15.00 06 496 040 562 Новая система 14.03.12 13.00 06 519 040 827 14.30 06 522 040 857 Таблица 2 Оперативный анализ ресурсосбережения Расход электроэнергии, кВт·ч Расход воды, м3 Даты Базовая система Новая система Базовая система Новая система 10.05.12 – 24.05.12 2158 – 5212 – 25.05.12 – 08.06.12 – 997 – 3830 Решение. Выполним экспресс-анализ ресурсосбережения регулируемого электропривода. Определим объем потребляемой мощности нерегулируемого электропривода. PI P2 P1 6496 6476 10 кВт ч. T 2 10 Определим объем потребляемой мощности регулируемым электроприводом PII P2 P1 6522 6519 2 кВт ч. T 1,5 Определим объем расхода воды насосом с нерегулируемым электроприводом QI Q2 Q1 40562 40512 25 м3 . T 2 Определим объем расхода воды насосом с регулируемым электроприводом QII Q2 Q1 40857 40827 20 м3 . T 1,5 Определим эффект энергосбережения при использовании нерегулируемого и регулируемого электропривода Э % PI PII 10 2 100 100 80 %. PI 10 Определим эффект ресурсосбережения при использовании нерегулируемого и регулируемого электропривода B % QI QII 25 20 100 100 20 %. QI 25 Выполним оперативный анализ ресурсосбережения регулируемого электропривода. Определим эффект энергосбережения при использовании нерегулируемого и регулируемого электропривода Э % P1 P2 2158 997 100 100 53,8 %. P1 2158 Определим эффект ресурсосбережения при использовании нерегулируемого и регулируемого электропривода B % Q1 Q2 5212 3830 100 100 26,5 %. Q1 5212 Задача 2. Определить экономию электроэнергии и срок окупаемости регулируемого электропривода при замене им системы дросселирования. Исходные данные: номинальная мощность асинхронного двигателя 15 кВт; номинальная скорость вращения 1430 об/мин; номинальный коэффициент 11 полезного действия 92%; рабочих дней в году 240 дней. Относительная стоимость преобразователя частоты 7000 руб./кВт. Стоимость электроэнергии 2 руб/кВт ч. Диаграмма относительного расхода представлена на рис. 1. Рис. 1. Диаграмма относительного расхода Рис. 2. Диаграмма потерь мощности Решение. Построим зависимость потребляемой мощности электропривода с дросселированием от расхода воды. Для этого, необходимо измерить значение потребляемой мощности при полностью открытой и закрытой заслонке. Результаты измерения показаны в табл. 3. Диаграмма, построенная по данным табл. 3. представлена прямой 1 на рис. 2. Таблица 3 Потребление электроприводом с дросселированием электрической мощности Относительный расход Положение заслонки Потребляемая мощность Q* = 1 Заслонка полностью открыта Pmax = 11 кВт Q* = 0 Заслонка полностью закрыта Pmin = 6 кВт Определим требуемую мощность преобразователя частоты Pпч. тр = 1,5 Pmax = 1,5·11 = 16,5 кВт. Определим стоимость выбранного преобразователя частоты мощностью 16,5 кВт Цпч = Спч·Pпч. тр = 7000·16,5 = 115 500 руб. 12 Построим зависимость P(Q*) электропривода с частотным регулированием производительности. Такую зависимость можно построить с помощью выражения P Pmax Q* 11 Q* . 3 3 Определим допустимую производительность при полном использовании двигателя Pпч.факт Pном ном 15 16,3 кВт, 0,92 * Pпч.факт Pmax Qдоп , 3 * Qдоп 3 Pпч.факт Pmax 3 16,3 11 1,14. Тогда величина допустимой производительности составит * Qдоп 1,14 1. Определим величину потерь мощности на разных временных интервалах работы электропривода. Это можно сделать с помощью рис. А.2. В результате получены следующие значения P1 3,3 кВт, P2 5,8 кВт, P3 6,2 кВт. Определим величину сэкономленной мощности при работе электропривода с преобразователем частоты за цикл (сутки): Эц Pt 1 1 +P2t2 +P3t3 =3,3 3+5,8 3+6,2 4=52,1 кВт ч; за год: Эг Эц Т =Эц 240=52,1 240=12 500 кВт ч/год. Определим срок окупаемости электропривода за счет экономии электроэнергии Т1 Ц пч Ц пч 115500 = =4,62 года. Эээ Эг Ц ээ 12500 2 13 Определить срок окупаемости электропривода с учетом дополнительных технико-эксплуатационных факторов, если принять значение коэффициента дополнительного ресурсосбережения k = 1,2 Т2 Т1 4,62 = 3,85 года. k 1, 2 В качестве дополнительных факторов снижения срока окупаемости электропривода могут быть, например, дополнительное снижение потерь тепла, расходов на ремонт и другие. Задача 3. Рассчитать энергетическую и экономическую эффективность от применения частотно-регулируемого электропривода на питательном насосе энергоблока теплоэнергетической станции. Исходные данные: мощность энергоблока 210 МВт; номинальная мощность приводного асинхронного двигателя насоса воды 5000 кВт; номинальный расход воды насоса 640 т/ч. Относительная стоимость преобразователя частоты 10 000 руб/кВт. Стоимость электроэнергии 2 руб/кВт ч. Значение мощности энергоблока и потребляемая электроприводом мощность на каждом из трех временных интервалов работы энергоблока, приведены в табл. 4. Решение. Определим расход воды насоса следующим образом NQном N ном Полученные значения расхода воды запишем в первый столбец табл. 5. Таблица 4 Исходные данные для расчета показателей энергоэффективности Мощность энергоблока, МВт Мощность, потребляемая электроприводом, кВт Время работы электропривода, ч 210 4960 2800 140 4080 800 80 3200 2700 14 Таблица 5 Исходные данные для расчета показателей энергоэффективности Расход воды, т/ч Мощность, потребляемая регулируемым электроприводом, кВт Сэкономленная мощность, кВт Стоимость, тыс. кВт·ч 640 4960 0 0 426 1469 2610 2088 243 274 3051 8239 Определим потребляемую частотно-регулируемым электроприводом мощность следующим образом 3 Q P Pmax Q Pmax . Qном * 3 Полученные значения расхода воды запишем во второй столбец табл. А.5. Определим экономию электрической мощности частотно-регулируемым электроприводом следующим образом P P1 P2 . Полученные значения расхода воды запишем в третий столбец табл. А.5. Определим объем сэкономленной электрической энергии на каждом временном интервале работы регулируемого электропривода следующим образом 3 Эц Pi ti , i где i – номер интервала цикла. Полученные значения расхода воды запишем в четвертый столбец табл. А.5. Определим мощность преобразователя частоты, необходимого для установленного на электростанции асинхронного двигателя. Pпч. 1,1Pдв 1,1 5000 5500 кВт. Определим стоимость преобразователя частоты Цпч= Спч·Pпч = 10000·5500 = 55 млн руб. 15 16 Определим годовое снижение расхода (экономия) электроэнергии 3 Эг Эi 0 2088 8239 10327млн.кВт ч/год, i 1 Определим стоимость сэкономленной электроэнергии в год Сээ Эг Цээ 10327 2 20654 млн.руб/год. Определим возможное увеличение номинальной мощности энергоблока, при общей установленной мощности электроприводов 11600 кВт, следующим образом 5000 N 0,01KN ном 0,01 210000 905 кВт. 11600 Определим стоимость нового строительства энергетических мощностей, при стоимости строительства одного киловатта мощности равным 56 000 руб., следующим образом Цнс NСN 905 56000 50,680 млн. руб. Определим срок окупаемости инвестиций на строительство Т Ц пч Ц нс 55 50,680 =2,16 года. Сээ 2 Контрольная работа № 1 Задание. Определить экономию электроэнергии и срок окупаемости регулируемого электропривода при замене им системы дросселирования. Построить диаграмму относительного расхода и потерь мощности электропривода. Исходные данные контрольной работы № 1 представлены в табл. 6. 17 Таблица 6 Исходные данные для контрольной работы № 1 18 Практика № 3, 4 (4 часа) Технико-экономическая оценка эффективности использования топливно-энергетических ресурсов на компрессорных станциях магистральных газопроводов Задание. Изучить соответствующий теоретический материал (см. приложения), последовательность решения задачи 4 и выполнить контрольную работу № 2. Задача 4. Произвести расчёт и оценку энергоэффективности газоперекачивающих агрегатов и системной эффективности компрессорных цехов с электрическими и газотурбинными приводами газоперекачивающих агрегатов. Исходные данные: компрессорный цех с газотурбинным приводом: количество газоперекачивающих агрегатов n = 4 шт.; мощность каждого газоперекачивающего агрегата Nгт = 6,3 МВт; мощность центробежных нагнетателей Ni = 6000 кВт; механический коэффициент полезного действия центробежных нагнетателей ηм = 0,985; массовый расход топливного газа GТГ = 0,965 кг/с; фактическая низшая теплота сгорания природного газа QН = 32 000 кДж/м3; температурный показатель политропы (k-1)/k = 0,2339; показатель псевдоизоэнтропы mТ = 0,294; объем топливного газа, расходуемого одним газотурбинным приводом Qтгггпа = 11300 млн м3; объем природного газа, расходуемого на технологические нужды компрессорного цеха Qтнгкц = 10 млн м3; объем электроэнергии, расходуемой компрессорным цехом Wстнгкц = 6100 тыс. кВт ч; эквивалентная товаротранспортная работа компрессорного цеха Aкц = 365 1000 млн м3 км. Компрессорный цех с электроприводом: коэффициент полезного действия преобразователя частоты ηпч = 0,96; коэффициент полезного действия электродвигателя ηдв = 0,82; коэффициент полезного действия редуктора ηпу = 0,98; объем электроэнергии, расходуемой одним электроприводом, Wкэгпа = 28350 тыс. кВт ч. Решение. Рассчитаем показатели энергетической эффективности компрессорного цеха с газотурбинными агрегатами. Определим значение эффективной мощности на редукторе агрегата 19 Ne Ni м 6000 =6091 кВт. 0,985 Определим значение эффективного коэффициента полезного действия газотурбинной установки e Ne 6091 =0,197. Gтг Qн 0,965 32000 Определим значение политропного коэффициента полезного действия центробежного нагнетателя пол k 1 1 1 0, 2339 =0,795. k mт 0, 294 Определим коэффициент полезного действия газотурбинного газоперекачивающего агрегата ггпа епол 0,197 0,795=0,157. Определим удельный расход топливного газа одного газоперекачивающего агрегата с газотурбинным приводом 3600 3600 0,7175 м3 /кВт ч. ггпа Qн 0,157 32000 Етгггпа Определим расход газа компрессорным цехом с газотурбинными агрегатами гкц гкц гкц гкц Qстн Qтн Qтн nQтгггпа Qтн 4 11300 10 45210 млн. м3 . Определим удельный показатель эффективности расхода газа компрессорным цехом гкц г Э гкц Qстн 45210 кц 103 1000 12,38 м3 /млн. м3км. А 3651000 Определим расход топливно-энергетических ресурсов компрессорным цехом гкц гкц гкц Втэр kг Qстн kээWстн Qн 32000 гкц гкц Qстн kээWстн 45210 0,325 6100 208657 т.у.т. 7000 7000 Определим удельный показатель эффективности расхода топливноэнергетических ресурсов компрессорным цехом гкц тэр Э гкц Втэр 208657 3 3 10 10 57,15 кг.у.т./млн.м 3 км. кц А 3651000 20 Рассчитаем показатели энергетической эффективности компрессорного цеха с электроприводными газоперекачивающими агрегатами. Определим коэффициент полезного действия электроприводного газоперекачивающего агрегата эгпа пчдвпупол 0,96 0,82 0,98 0,795=0,614. Определим удельный расход электроэнергии одним электроприводным агрегатом Еэээгпа 1 эгпа 1 1,63 кВт ч/кВт ч. 0,614 Определим объем электроэнергии, расходуемый электроприводами всех газоперекачивающих агрегатов WкЭГПА nWкэгпа 4 28350 113400 тыс. кВт ч. Определим объем электроэнергии, расходуемый компрессорным цехом с электроприводными агрегатами экц Wстн 1, 2WкЭГПА 1, 2 113400 136080 тыс. кВт ч. Определим удельный показатель эффективности расхода электроэнергии компрессорным цехом экц ээ Э экц Wстн 136080 3 кц 103 10 37,27 кВт ч/млн.м3 км. А 3651000 Определим расход топливно-энергетических ресурсов компрессорным цехом экц экц экц гкц экц Втэр kг Qстн kээWстн kг Qтн kээWстн 4,57 10 0,325 136080 44272 т.ут. Определим удельный показатель эффективности расхода топливноэнергетических ресурсов компрессорным цехом экц тэр Э экц Втэр кц А 103 44272 103 12,13 кг.у.т./млн.м 3 км. 3651000 Результаты расчёта представлены в табл. 7. Из приведённого расчёта видно, что газоперекачивающие агрегаты с электроприводом имеют значительно более высокий коэффициент полезного действия, а на компрессорных станциях с такими агрегатами, расход топливно-энергетических ресурсов существенно ниже. 21 Таблица 7 Показатели энергоэффективности компрессорных цехов Расчетные показатели энергоэффективности газоперекачивающих агрегатов Показатель Значение Единица измерения Коэффициент полезного действия ГКЦ ЭКЦ 0,157 0,614 0,7175 – Удельный расход топливного газа ГГПА м3/кВт·ч Удельный расход топливного газа ЭГПА кВт·ч /кВт·ч – 1,63 Удельный показатель эффективности расхода газа м3/млн м3 км 12,38 – Удельный показатель эффективности расхода электроэнергии кВт·ч/млн м3 км – 37,27 Удельный показатель эффективности расхода топливно-энергетических ресурсов кг у.т/млн м3 км 57,15 12,13 Контрольная работа № 2 Задание. Произвести расчёт и оценку энергоэффективности газоперекачивающих агрегатов и системной эффективности компрессорных цехов с электрическими и газотурбинными приводами газоперекачивающих агрегатов. Исходные данные представлены в табл. 8. 22 Таблица 8 Исходные данные для контрольной работы № 2 Примечание: Остальные исходные данные, необходимые для решения контрольной работы взять из примера решения задачи 4 для компрессорных цехов с газотурбинным и электрическим приводами. Практика № 5, 6 (4 часа) Оценка энергоэффективности реостатного и частотного регулирования скорости асинхронного двигателя Задание. Изучить соответствующий теоретический материал (см. приложения), последовательность решения задач 5, 6 и выполнить контрольную работу № 3. 23 а) Реостатный способ регулирования скорости Задача 5. Определить величину потерь мощности, коэффициент полезного действия и коэффициент мощности электропривода с асинхронным двигателем и реостатным регулированием. Результаты расчета свести в таблицу. Построить рабочие участки механических характеристик асинхронного двигателя при реостатном регулировании. Построить зависимость коэффициента полезного действия и коэффициента мощности от коэффициента загрузки. Исходные данные: номинальные параметры асинхронного двигателя: мощность 165 кВт; напряжение 380 В; коэффициент мощности 0,87; скорость вращения 2950 об/мин; перегрузочная способность 2. Нагрузка электропривода: 50, 75, 100% от номинальной. Рабочая частота вращения при номинальной нагрузке: 100, 75, 50 от номинальной. Решение. Определим величину потерь мощности, коэффициент полезного действия и коэффициент мощности асинхронного двигателя при работе с номинальной частотой вращения при номинальной нагрузке, т. е. на естественной характеристике. Определим номинальный и критический момент асинхронного двигателя Определим номинальное и критическое скольжение асинхронного двигателя Определим значения моментов сопротивления 24 Используя формулу Клосса, определим скольжения и скорости вращения ротора асинхронного двигателя при работе на естественной характеристике с разной нагрузкой Определим значение мощности на валу асинхронного двигателя при работе на естественной характеристике с разной нагрузкой Определим значение потребляемой мощности асинхронного двигателя при работе на естественной характеристике с разной нагрузкой Определим величину потерь мощности при работе на естественной характеристике с разной нагрузкой 25 Определим коэффициент полезного действия двигателя при работе на естественной характеристике с разной нагрузкой Определим полную мощность, потребляемую асинхронным двигателем в номинальном режиме Определим реактивную мощность, потребляемую асинхронным двигателем в номинальном режиме Примем значение реактивной мощности в режиме холостого хода Определим реактивную мощность, потребляемую двигателем при работе на естественной характеристике с разной нагрузкой 26 Определим полную мощность, потребляемую асинхронным двигателем при работе на естественной характеристике с разной нагрузкой Определим коэффициент мощности асинхронного двигателя при работе на естественной характеристике с разной нагрузкой Определим скорость вращения ротора и скольжение асинхронного двигателя на искусственной характеристике при снижении частоты до уровня 75% от номинальной и номинальном моменте Определим критическое скольжение асинхронного двигателя при работе на первой искусственной характеристике. Для этого с помощью формулы Клосса составим следующее уравнение 27 Решив это уравнение, получим s2к = 0,98 Используя формулу Клосса, с учетом найденного критического скольжения, определим скольжения и скорости вращения ротора асинхронного двигателя при работе на первой искусственной характеристике с разной нагрузкой Определим скорость вращения ротора и скольжение асинхронного двигателя на искусственной характеристике при снижении частоты до уровня 50% от номинальной и номинальном моменте Определим критическое скольжение этой характеристики. Для этого с помощью формулы Клосса составим следующее уравнение 534 2 1068 . s3к 0,508 s3к 0,508 Решив это уравнение, получим следующее значение критического скольжения s3к = 1,897. Используя формулу Клосса, с учетом найденного критического скольжения, определим скольжения и скорости вращения ротора асинхронного двигателя при работе на второй искусственной характеристике с разной нагрузкой 28 Значения мощности на валу, потребляемой мощности, потерь мощности, коэффициента полезного действия, реактивной и полной мощности и коэффициента мощности асинхронного двигателя при работе на первой и второй искусственной характеристике с пониженной частотой вращения до 75% и 50%. соответственно, определяем аналогично расчёту этих параметров при работе электродвигателя на естественной характеристике. Результаты расчёта приведены в табл. 9. Механические характеристики представлены на рис. 3, а энергетические на рис. 4. Рис. 3. Механическая характеристика двигателя Рис. 4. Энергетические характеристики двигателя 29 Таблица 9 Результаты расчета электропривода с асинхронным двигателем и реостатным регулированием 30 б) Частотный способ регулирования скорости Задача 6. Определить величину потерь мощности, коэффициент полезного действия и коэффициент мощности электропривода с асинхронным двигателем и частотным регулированием. Результаты расчета свести в таблицу. Построить рабочие участки механических характеристик асинхронного двигателя при частотном регулировании. Построить зависимость коэффициента полезного действия и коэффициента мощности от коэффициента загрузки. Проанализировать эффективность частотного регулирования. Исходные данные: в качестве исходных данных использовать заданные и рассчитанные параметры электропривода в примере задачи 5. Уровень частоты питающего напряжения асинхронного двигателя 50, 75, 100% от номинального уровня при номинальной нагрузке. Решение. Естественная механическая характеристика и расчет энергетических характеристик асинхронного двигателя при работе с разной нагрузкой сделан в задаче В.2. Определим скорость вращения ротора асинхронного двигателя при работе на первой искусственной характеристике, т. е. при снижении скорости вращения на 25% и номинальной нагрузке Определим синхронную скорость (скорость вращения магнитного поля статора) асинхронного двигателя при работе на первой искусственной характеристике Определим критическую скорость асинхронного двигателя при работе на первой искусственной характеристике Определим скольжение асинхронного двигателя при работе с номинальной нагрузкой 31 Определим критическое скольжение асинхронного двигателя при работе на первой искусственной характеристике Определим скольжения и скорости вращения ротора асинхронного двигателя при работе на первой искусственной характеристике с разной нагрузкой Определим значение потребляемой асинхронным двигателем активной мощности при работе на первой искусственной характеристике с разной нагрузкой Определим значение мощности на валу асинхронного двигателя при работе на первой искусственной характеристике с разной нагрузкой 32 Определим величину потерь мощности при работе на первой искусственной характеристике с разной нагрузкой Определим коэффициент полезного действия асинхронного двигателя при работе на первой искусственной характеристике с разной нагрузкой Количество реактивной мощности, потребляемой асинхронным двигателем при работе на естественной характеристике с разной нагрузкой, было определено в задаче В.2. Определим значения реактивной мощности при частотном регулировании на первой искусственной характеристике Определим полную мощность, потребляемую асинхронным двигателем при работе на первой искусственной характеристике с разной нагрузкой 33 Определим коэффициент мощности асинхронного двигателя при работе на первой искусственной характеристике с разной нагрузкой Определим скорость вращения ротора асинхронного двигателя при работе на второй искусственной характеристике, т. е. при снижении частоты напряжения на 50% и номинальной нагрузке Определим синхронную скорость (скорость вращения магнитного поля статора) асинхронного двигателя при работе на второй искусственной характеристике Определим критическую частоту асинхронного двигателя при работе на второй искусственной характеристике Определим скольжение асинхронного двигателя при работе с номинальной нагрузкой Определим критическое скольжение асинхронного двигателя при работе на второй искусственной характеристике 34 Определим скольжения и частоты вращения ротора асинхронного двигателя при работе на второй искусственной характеристике с разной нагрузкой Расчет значений мощности на валу, потребляемой мощности, потерь мощности, коэффициента полезного действия, реактивной и полной мощности и коэффициента мощности асинхронного двигателя при работе на второй искусственной характеристике с пониженной частотой вращения до 50% определяем аналогично расчету этих параметров при работе электродвигателя на первой искусственной характеристике. Результаты расчета приведены в табл. 10. Механические характеристики электропривода с асинхронным двигателем и частотным регулированием представлены на рис. 5, а энергетические (коэффициент полезного действия и коэффициент мощности) на рис. 6. Рис. 5. Механическая характеристика двигателя Рис. 6. Энергетические характеристики двигателя 35 Таблица 10 Результаты расчета электропривода с асинхронным двигателем и частотным регулированием 36 Контрольная работа № 3 Задание. Определить величину потерь мощности, коэффициент полезного действия и коэффициент мощности электропривода с асинхронным двигателем при реостатном и частотном способах регулирования скорости. Результаты расчёта свести в таблицы. Построить рабочие участки механических характеристик асинхронного двигателя для каждого способа регулирования. Построить зависимость коэффициента полезного действия и коэффициента мощности от коэффициента загрузки. Проанализировать эффективность, рассматриваемых способов регулирования скорости. Исходные данные: для реостатного и частотного регулирования скорости нагрузка электропривода составляет 50, 75, 100% от номинальной, рабочая частота вращения при номинальной нагрузке составляет 100, 75, 50 от номинальной. Для частотного регулирования уровень частоты питающего напряжения асинхронного двигателя 50, 75, 100 % от номинального уровня 50 Гц при номинальной нагрузке. Номинальное напряжение асинхронных двигателей 380 В, другие данные двигателей приведены в табл. 11. Таблица 11 Исходные данные № варианта 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Параметры асинхронного двигателя P, кВт 2 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 n, об/мин cos φ λ 3 2975 2975 2975 2975 2975 2975 2975 2975 2975 2975 4 0,85 0,85 0,85 0,85 0,85 0,86 0,86 0,86 0,86 0,86 5 2 2,5 3 3,5 2 2,5 3 3,5 2 2,5 Способ регулирования скорости Характер нагрузки 6 7 Реостатный и частотный 37 Mc = const Окончание табл. 11 1 11 2 105 3 1487 4 0,87 5 3 12 13 14 15 16 17 18 19 20 110 115 120 125 130 135 140 145 150 1487 1487 1487 1487 980 980 980 980 980 0,87 0,87 0,87 0,87 0,88 0,88 0,88 0,88 0,88 3,5 2 2,5 3 3,5 2 2,5 3 3,5 6 7 Реостатный и частотный Mc = const Практика № 7 (2 часа) Расчёт экономии электроэнергии при замене электропривода с реостатным регулированием скорости на электропривод с частотным регулированием Задание. Изучить соответствующий теоретический материал (см. приложения), последовательность решения задач 5, 6, 7 и выполнить контрольную работу № 4. Задача 7. Определить экономию электроэнергии и денежных средств при замене электропривода с реостатным регулированием скорости на электропривод с частотным регулированием для рабочего механизма с Мст = const. Исходные данные: в качестве исходных данных использовать заданные и рассчитанные параметры электропривода в примерах решения задач 5 и 6. Номинальные параметры асинхронного двигателя: мощность 165 кВт; напряжение 380 В; коэффициент мощности 0,87; скорость вращения 2950 об/мин; перегрузочная способность 2. Нагрузка электропривода: 50, 75, 100% от номинальной. Рабочая частота вращения при номинальной нагрузке: 100, 75, 50 от номинальной. Суточный график технологического режима работы механизма состоит из 3 временных интервалов:1-й – 3 часа, 2-й – 3 часа, 3-й – 10 часов. Загрузка электродвигателя в первом интервале 50% от номинальной мощности при частоте 38 вращения вала 100% от номинальных оборотов, во втором интервале 75% от номинальной мощности при частоте вращения вала 75% от номинальных оборотов, в третьем интервале 100% от номинальной мощности при частоте вращения вала 50% от номинальных оборотов. Число рабочих дней в году 365. Стоимость электроэнергии 10 руб/кВт∙ч. Решение. Определение потерь мощности и энергии при использовании реостатного способа регулирования скорости приводного асинхронного электродвигателя произведём на основании, выполненных расчётов в задаче 5, см. табл. 9. 1-й временной интервал (n = nном при M = 0,5Mном, коэффициент загрузки 0,5). Потери мощности ΔP1дв 50% = 671 Вт. Потери электроэнергии за сутки ΔЭс = 671∙3 = 2013 Вт∙ч. Потери электроэнергии за год ΔЭг1 = 2013 ∙ 365 = 734,745 кВт∙ч. 2-й временной интервал (n = 0,75 nном при M = 0,75Mном, коэффициент загрузки 0,75) Потери мощности ΔP1дв 75% = 23911,017 Вт. Потери электроэнергии за сутки ΔЭс = 23911,017∙3 = 71733,051 Вт∙ч. Потери электроэнергии за год ΔЭг2 = 71733,051 ∙ 365 = 26182,564 кВт∙ч 3-й временной интервал (n = 0,5 nном при M = Mном, коэффициент загрузки 1) Потери мощности ΔP1дв 100% = 85240 Вт. Потери электроэнергии за сутки ΔЭс = 85240∙10 = 852 400 Вт∙час. Потери электроэнергии за год ΔЭг3 = 852400 ∙ 365 = 311 126 кВт∙ч. Всего потерь электроэнергии за год при реостатном регулировании скорости ΔЭр = 734,745 + 26182,564 + 311126 = 338043,309 кВт∙ч. Определение потерь мощности и энергии при использовании частотного способа регулирования скорости приводного асинхронного электродвигателя произведём на основании, выполненных расчётов в задаче 5, см. табл. 10 1-й временной интервал (n = nном при M = 0,5Mном, коэффициент загрузки 0,5) Потери мощности ΔP1дв 50% = 671 Вт. Потери электроэнергии за сутки ΔЭс = 671∙3 = 2013 Вт∙час. 39 Потери электроэнергии за год ΔЭг1 = 2013 ∙ 365 = 734,745 кВт∙ч. 2-й временной интервал (n = 0,75nном при M = 0,75Mном, коэффициент загрузки 0,75) Потери мощности ΔP1дв 75% = 1134 Вт. Потери электроэнергии за сутки ΔЭс = 1134∙3 = 3402 Вт∙ч. Потери электроэнергии за год ΔЭг2 = 3402 ∙ 365 = 1241,73 кВт∙ч. 3-й временной интервал (n = 0,5nном при M = Mном, коэффициент загрузки 1) Потери мощности ΔP1дв 100% = 1401 Вт. Потери электроэнергии за сутки ΔЭс = 1401∙10 = 14010 Вт∙ч. Потери электроэнергии за год ΔЭг3 = 14010 ∙ 365 = 5113,65 кВт∙ч. Всего потерь электроэнергии за год ΔЭч = 734,745 + 1241,73 + 5113,65 = 7090,125 кВт∙ч. Определим экономию электрической энергии и денежных средств за счёт замены реостатного способа регулирования скорости приводного асинхронного двигателя мощностью 165 кВт на частотный, для рабочего механизма с заданным суточным графиком технологического режима работы. ΔЭ = ΔЭр - ΔЭч = 338043,309–7090,125 = 330953,184 кВт∙ч. Таким образом, при замене реостатного регулирования скорости на частотное в асинхронном электроприводе мощностью 165 кВт для данного рабочего механизма, годовые потери электроэнергии уменьшаются на 330953,184 кВт∙ч, что соответствует экономии денежных средств 3309531,84 руб. в год при стоимости электроэнергии 10 руб/кВт∙ч. Контрольная работа № 4 Задание. Определить экономию электроэнергии и денежных средств при замене электропривода с реостатным регулированием скорости на электропривод с частотным регулированием для рабочего механизма с Мст = const с заданным суточным графиком технологического режима работы механизма, который состоит из 3 временных интервалов:∆𝑡1, ∆𝑡2, ∆𝑡3. Параметры асинхронного двигателя, 40 нагрузка в процентах от номинальной мощности P% = (P/Рн)100% и частота вращения вала двигателя в процентах от номинальных оборотов n% = (n/nн)100% приведены в табл. 11. Рабочих дней в году 365. Стоимость электроэнергии 10 руб/кВт ч. Таблица 11 Параметры асинхронного двигателя, Uн = 380 В P, n, кВт об/мин cos φ λ Способ регулирования скорости № варианта Исходные данные для контрольной работы № 4 Суточный график технологического режима работы рабочего механизма 1-й интервал 2-й интервал 3-й интервал ∆𝑡1, P, n, ∆𝑡2, P, n, ∆𝑡3, P, n, ч % % ч % % ч % % 55 2975 0,85 2 1 50 100 1 75 75 14 100 50 2 60 2975 0,85 2,5 2 50 100 1 75 75 12 100 50 3 65 2975 0,85 3 4 50 100 2 75 75 10 100 50 4 70 2975 0,85 3,5 3 50 100 2 75 75 12 100 50 5 75 2975 0,85 2 2 50 100 1 75 75 14 100 50 6 80 2975 0,86 2,5 5 50 100 3 75 75 15 100 50 7 85 2975 0,86 3 3 50 100 3 75 75 11 100 50 8 90 2975 0,86 3,5 2 50 100 2 75 75 12 100 50 9 95 2975 0,86 2 3 50 100 2 75 75 13 100 50 10 100 2975 0,86 2,5 1 50 100 4 75 75 14 100 50 11 105 1487 0,87 3 2 50 100 2 75 75 13 100 50 12 110 1487 0,87 3,5 3 50 100 1 75 75 15 100 50 13 115 1487 0,87 2 2 50 100 2 75 75 16 100 50 14 120 1487 0,87 2,5 1 50 100 3 75 75 17 100 50 15 125 1487 0,87 3 3 50 100 4 75 75 15 100 50 16 130 980 0,88 3,5 2 50 100 1 75 75 14 100 50 17 135 980 0,88 2 1 50 100 2 75 75 12 100 50 18 140 980 0,88 2,5 3 50 100 3 75 75 11 100 50 19 145 980 0,88 3 2 50 100 4 75 75 10 100 50 20 150 980 0,88 3,5 1 50 100 2 75 75 12 100 50 Реостатный и частотный 1 41 Практика № 8 (2 часа) Оценка эффективности использования энергоэффективных электродвигателей Задание. Изучить соответствующий теоретический материал (см. Приложение), последовательность решения задачи 8 и выполнить контрольную работу № 5. Задача 8. Определить значение активной, реактивной и полной мощности, потребляемой электроприводом, и величину потерь мощности в электроприводе с различными по классу энергетической эффективности асинхронными двигателями. Дать оценку экономического эффекта от внедрения энергоэффективных двигателей. Исходные данные для расчета приведены в табл. 12 Таблица 12 Исходные данные для задачи 8 Параметры электродвигателя ЭП № 1 ЭП № 2 ЭП № 3 Класс энергоэффективности IE1 IE2 IE3 Номинальная мощность, кВт 55 55 55 Номинальное напряжение, кВ 380 380 380 Номинальная частота вращения, об/мин 2910 2910 2910 Коэффициент мощности 0,88 0,88 0,88 Коэффициент полезного действия 0,924 0,939 0,955 Решение. Рассчитаем активную, реактивную и полную мощность, потребляемую первым электроприводом при использовании электродвигателя класса IE1: 42 Сделаем аналогичные расчеты для электропривода с энергоэффективными электродвигателями класса IE2: электродвигателями класса IE2: Рассчитаем количество потерь активной мощности в каждом двигателе: Если предположить, что данные электроприводы работают 24 часа в сутки, 365 дней в году, то количество теряемой мощности можно определить следующим образом: 43 При средней стоимости электроэнергии 2 руб/кВт·ч количество потерянной электроэнергии за один год каждым электродвигателем в денежном эквиваленте составит Таким образом, в случае замены обычного электродвигателя (класс IE1) энергоэффективным (класс IE2), экономия электроэнергии составляет 7884 кВт в год на один двигатель. При использовании десяти таких электродвигателей экономия электроэнергии составит 78 840 кВт в год или в денежном выражении 157 680 руб/год. При использовании электродвигателей с максимальным уровнем энергоэффективности, экономия электроэнергии составляет 16 644 кВт в год на один двигатель и 166 440 кВт на десять двигателей или 332 880 руб/год. Контрольная работа № 5 Задание. Определить значение активной, реактивной и полной мощности, потребляемой электроприводом, и величину потерь мощности в электроприводе с различными по классу энергетической эффективности асинхронными двигателями. Дать оценку экономического эффекта от внедрения энергоэффективных двигателей. Принять среднюю стоимость электрической энергии 10 руб. за кВт/час. Исходные данные для расчета представлены в табл. 13 44 Таблица 13 Исходные данные для контрольной работы № 5 45 Литература 1. Чиликин, М. Г. Общий курс электропривода : учебник / М. Г. Чиликин, А. С. Сандлер. – 6-е изд., перераб. и доп. – Москва. : Энергоиздат, 1981. – 576 с. – Текст : непосредственный. 2. Ключев, В. И. Теория электропривода : учебник / В. И. Ключев. – Москва : Энергоатомиздат, 1985. – 560 с. – Текст : непосредственный. 3. Вешеневский, С. Н. Характеристики двигателей в электроприводе / С. Н. Вешеневский. – 6-е изд., испр. – Москва : Энергия, 1977. – 431 с. – Текст : непосредственный. 4. Ключев, В. И. Электропривод и автоматизация общепромышленных механизмов : учебник для вузов / В. И. Ключев, В. М. Терехов. – Москва : Энергия, 1980. – 360 с. – Текст : непосредственный. 5. Васильев, Б. Ю. Электропривод. Энергетика электропривода : учебник / Б. Ю. Васильев. – Москва : СОЛОН-Пресс, 2015. – 267 с. – (Библиотека студента). – ISBN 978-5-91359-155-5. – Текст : непосредственный. 6. Энергосберегающие технологии в электроэнергетике и электротехнических комплексах : учеб.-метод. пособие / сост. В. М. Холманских. – Киров : ВятГУ, 2018. – 64 с. – URL: https://lib.vyatsu.ru. – Режим доступа: для авториз. пользователей. – Текст : электронный. 7. Инструкция по расчету экономической эффективности частотнорегулируемого привода : утв. Минтопэнерго России 19.12.1995 / разработана АО ВНИИЭ , МЭИ. – Москва, 1997. – 12 с. – Текст : непосредственный. 8. СТО Газпром 2-3.5-113–2007. Методика оценки энергоэффективности газотранспортных объектов и систем. – Москва : Газпром : Полиграфия, 2007 – 54 с. – (Документы нормативные для проектирования, строительства и эксплуатации объектов ОАО «Газпром»). – Текст : непосредственный. 9. СТО Газпром 2-1.20-114–2007. Методика энергоаудита газотранспортной системы. – Москва : Газпром : Полиграфия, 2007. – 75 с. – (Документы нормативные для проектирования, строительства и эксплуатации объектов ОАО «Газпром»). – Текст : непосредственный. 46 10. СТО Газпром 2-2.1-512–2010. Обеспечение системной надежности транспорта газа и стабильности поставок газа потребителям. – Москва : Газпром, 2011. – 88 с. – (Стандарт организации) (Документы нормативные для проектирования, строительства и эксплуатации объектов ОАО «Газпром»). – Текст : непосредственный. 11. Мурашев, Ю. Г. Квалиметрический анализ : учеб. пособие / Ю. Г. Мурашев, А. А. Гайков-Алехов. – Санкт-Петербург : БГТУ, 2006. – 106 с. – ISBN 5-85546-249-8. – Текст : непосредственный. 12. Фираго, Б. И. Теория электропривода / Б. И. Фираго, Л. Б. Павлячик. – Минск : Техноперспектива, 2007. – 585 с. – ISBN 978-985-6591-46-7. – Текст : непосредственный. 13. Браславский, И. Я. Энергосберегающий асинхронный электропривод : учеб. пособие / И. Я. Браславский, З. Ш. Ишматов, В. Н. Поляков. – Москва : Academia, 2004. – 248 с. – ISBN 5-7695-1704-2. – Текст : непосредственный. 14. Онищенко, Г. Б. Электрический привод : учебник / Г. Б. Онищенко. – Москва : РАСХН. 2003 – 320 с. – ISBN 5-85941-045-Х. – Текст : непосредственный. 15. Ильинский, Н. Ф. Электропривод : энерго- и ресурсосбережение : учеб. пособие / Н. Ф. Ильинский, В. В. Москаленко. – Москва : Академия, 2008. – 201 с. – ISBN 978-5-7695-2849-1. – Текст : непосредственный. 16. Компенсация реактивной мощности. К вопросу о технико- экономической целесообразности / В. Овсейчук, Г. Трофимов, А. Кац [и др]. – Текст : электронный // Новости электротехники. – 2008. – № 4 (52). – URL: http://news.elteh.ru/arh/2008/52/08.php?ysclid=l5axclmf7x519888294 (дата обращения: 07.07.2022). 17. Справочник по радиоэлектронным устройствам. В 2 т. Т. 1 / под ред. Д. П. Линде. – Москва : Энергия, 1978 – 439 с. – Текст : непосредственный. 18. Справочник по радиоэлектронным устройствам. В 2 т. Т. 2 / под ред. Д. П. Линде. – Москва : Энергия, 1978 – 327 с. – Текст : непосредственный. 19. ГОСТ 32144–2013. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в си47 стемах электроснабжения общего назначения : действ. с 01.07. 2014. – Москва : Стандартинформ, 2014. – Режим доступа: норматив.-техн. система «Техэксперт». – Текст : электронный. 20. ВРД 39-1.10-052-2001. Методические указания по выбору и применению асинхронного частотно-регулируемого электропривода мощностью до 500 кВт : действ. с 22.11.2001. – URL: http://gost.gtsever.ru/Data2/1/4293800/4293800141.htm (дата обращения: 07.07.2022). 21. Коэффициент нелинейных искажений, коэффициент гармонических искажений – различные подходы к определению. – URL: https:// www.стабилизатор.рф/reference/tech-articles/231-thd-special?ysclid= =l5ax0c2a95967560716 (дата публикации: 19.01.2012). – Текст : электронный. 22. ГОСТ IEC 62040-3–2018. Системы бесперебойного энергоснабжения (UPS). Часть 3. Метод установления эксплуатационных характеристик и требования к испытаниям : действ. с 01.03.2019. – Москва : Стандартинформ, 2018. – Режим доступа: норматив.-техн. система «Техэксперт». – Текст : электронный. 23. Ползиков, М. Н. Электромагнитная совместимость / М. Н. Ползиков. – Новомосковск : РХТУ им. Д. И. Менделеева, 2010 – 27 с. – Текст : непосредственный. 24. Брускин, Д. Э. Электрические машины. В 2 ч. Ч. 1 / Д. Э. Брускин, А. Е. Зорохович, В. С. Хвостов. – Москва : Высшая школа, 1987 – 319 с. – Текст : непосредственный. 25. Вершинин, В. И. Электромагнитная и электромеханическая совместимость в электротехнических системах с полупроводниковыми преобразователями : конспект лекций / В. И. Вершинин, Э. А. Загривный, А. Е. Козярук. – Санкт-Петербур : С.-Петерб. горный ин-т им. Г. В. Плеханова, 2000. – 66 с. – Текст : непосредственный. 26. Усольцев, А. А. Частотное управление асинхронными двигателями : учеб. пособие / А. А. Усольцев. – Санкт-Петербург : СПбГУ ИТМО, 2006 – 94 c. – Текст : непосредственный. 27. Элементы систем автоматики (силовой канал) : учеб. пособие / сост.: В. И. Доманов, А. В. Доманов. – Ульяновск : УлГТУ, 2007 – 107 с. – ISBN 9785-9795-0045-4. – Текст : непосредственный. 48 Приложение 1 Методы технико-экономического обоснования эффективности использования электроприводов на промышленных объектах 49 1.1 Обоснование эффективности использования электрической энергии регулируемыми электроприводами 50 51 52 53 54 1.2 Обоснование эффективности использования электроприводами топливно-энергетических ресурсов 55 56 57 58 59 60 61 62 1.3 Обоснование эффективности эксплуатационно-технических характеристик регулируемых электроприводов 63 Приложение 2 Использование энергосберегающих систем и алгоритмов управления электроприводом Электромеханическая и механическая характеристики трехфазного асинхронного электродвигателя можно записать как (2.1) (2.2) где Xст индуктивное сопротивление обмотки статора; Xр' приведенное значение индуктивного сопротивления обмотки ротора. Скольжение можно вычислить следующим образом (2.3) (2.4) где 0 синхронная частота вращения. Критический момент и критическое скольжение трехфазного асинхронного электродвигателя можно записать следующим образом (2.5) (2.6) Также, при анализе электромеханических процессов можно использовать упрощенную формулу Клосса для записи уравнения механической характеристики, которая выглядить так (2.7) 64 а выражение для расчета критического скольжения (2.8) где перегрузочная способность асинхронного двигателя (2.9) Из выражения механической характеристики видно, что управление механическими координатами асинхронного двигателя можно осуществлять следующими способами: изменяя сопротивление ротора электродвигателя, такое управление называется реостатным; изменением амплитуды подводимого к обмоткам статора напряжения, такое управление называется параметрическим; изменением частоты питающего напряжения, такое регулирование называется частотным. Кроме названных способов регулирования механических координат асинхронного двигателя может использоваться другой способ регулирования, который заключается в переключении схемы соединения обмоток статора, изменяющим число пар полюсов. Для этого используются специальные двигатели и дополнительная коммутационная аппаратура. Электропривод с такими двигателями получается двухскоростным и позволяет осуществлять регулирования только в первом квадранте. Схема такого электропривода, и его характеристики показаны на рис. 2.1, рис. 2.2, рис. 2.3. Рассмотрим первые три способа регулирования с точки зрения энергетической эффективности. Рис. 2.1. Структурная схема переключения обмоток двигателя Рис. 2.2. Механические характеристики двигателя 65 Рис. 2.3. Энергетические характеристики двигателя 2.1 Энергетические характеристики электроприводов с реостатным регулированием Этот способ регулирования частоты вращения можно реализовать при использовании в электроприводе асинхронного двигателя с фазным ротором. Для этого, в каждую фазу ротора асинхронного двигателя включают добавочные сопротивления, как это показано на схеме, представленной на рис. 2.4. При использовании реостатного регулирования, амплитуда и частота подводимого к обмоткам статора напряжения остаются постоянными. При этом, как видно из выражения механической характеристики асинхронного двигателя и ее компонентов (2.2), (2.5), (2.6), что при изменении сопротивления обмотки ротора критический момент электродвигателя остается постоянным, а критическое скольжение изменяется прямо пропорционально величине активного сопротивления ротора, т. е. получается (2.10) где Rд добавочное сопротивление ротора. Рис. 2.4. Структурная схема реостатного регулирования Рис. 2.5. Механические характеристики двигателя Рис. 2.6. Энергетические характеристики двигателя Семейство механических характеристик электропривода с реостатным регулированием представлено на рис. 2.5. С точки зрения обеспечения динамических характеристик электропривода, реостатное регулирование может обеспечить супенчатое изменение частоты вращения. Также, можно наблюдать, что при уменьшении частоты вращения, за счет введения дополнительтных сопротивлений в цепь 66 ротора, происходит снижение жесткости механической характеристики. Регулирование частоты вращения можно осуществлять только в первом квадранте. С энергетической точки зрения реостатное регулирование частоты вращения асинхронного электропривода является самым неэффективным из всех возможных. Потери мощности в асинхронном двигателе с реостатным регулированием можно представить следующим образом. (2.12) Анализ выражения (2.12) показывает, что потери мощности в асинхронном двигателе при любой нагрузке пропорциональны скольжению. Величина потерь на активном сопротивлении ротора и дополнительных сопротивлениях с учетом (2.12) распределяется соответственно следующим образом (2.13) (2.14) Из приведенных выражений видно, что при изменении частоты вращения, за счет введения дополнительных сопротивлений в цепь ротора асинхронного двигателя, потери в обмотке ротора увеличиваются. Таким образом, приснижении частоты вращения асинхронного электродвигателя, коэффициент полезного действия электропривода будет уменьшаться. Чем ниже частота вращения и производительность электропривода, тем ниже коэффициент полезного действия. Коэффициент мощности асинхронного двигателя при реостатном регулировании не изменяется (рис. 2.6). 2.2 Энергетические характеристики электроприводов с параметрическим регулированием Анализ выражений (2.2), (2.5), (2.6) показывает, что регулирование частоты вращения асинхронного электропривода, можно реализовать, за счет изменения амплитуды, питающего обмотки статора, напряжения. Для реализации этого способа регулирования используется тиристорный преобразователь напряжения, который обеспечивает регулирование амплитуды напряжения, подаваемого на обмотки статора электродвигателя. Схема электропривода с параметрическим регулированием представлена на рис. 2.7. Механические и энергетические характеристики приведены на рис. 2.8 и рис. 2.9. 67 При изменении амплитуды питающего напряжения с помощью тиристорного преобразователя будет изменяться величина критического момента пропорционально квадрату этого напряжения, а величина критического скольжения будет постоянной. Параметрическое регулирование позволяет изменять частоты вращения только в первом квадранте вниз отноминальной частоты. В отличии от реостатного регулирования, обеспечивается высокая плавность регулирования, но диапазон регулирования частоты вращения является ограниченным. Рис. 2.7. Структурная схема параметрического электропривода Рис. 2.8. Механические характеристики двигателя Рис. 2.9. Энергетические характеристики двигателя При уменьшении амплитуды напряжения обмоток статора, при постоянной частоте этого напряжения, магнитный поток асинхронного двигателя снижается пропорционально этому напряжению. Снижение магнитного потока приводит к резкому снижению перегрузочной способности, допустимой нагрузке. Так как, в процессе регулирования частоты вращения при изменении напряжения,синхронная частота асинхронного двигателя остается постоянной, потери в электродвигателе при работе в номинальном режиме можно выразить следующим образом (2.15) 68 Тогда, допустимые потери при регулировании частоты вращения можно определить как (2.16) Значение допустимого момента асинхронного электродвигателя определяется перегрузочной способностью и, в большинстве случаев, находится в пределах двух-трех, то есть выражение (2.16) можно записать следующим образом (2.17) При снижении частоты вращения и повышения скольжения на 20 % вниз отноминальной, для сохранения потерь в роторе на том же уровне, будет необходимо снизить значение момента на валу электродвигателя в три раза. Если не обеспечить снижение момента, это приведет к резкому росту потерь. При значительном росте потерь может нарушиться тепловой режим работы электродвигателя, что приведет к его перегреву и выходу из строя. Таким образом, параметрическое регулирование является крайне неэффективным для использования в продолжительном режиме. Даже при использовании электропривода с параметрическим регулированием с вентиляторной нагрузкой необходимо двух-трехкратное завышение установленной мощности двигателя с повышенным скольжением для обеспечения перегрузочно способности электропривода на сниженной частоте вращения. Дискретный режим работы тиристорного преобразователя напряжения вызывает появление гармонических составляющих напряжения и тока, пульсации момента и частоты вращения электродвигателя, что вызывает дополнительные потери мощности. 2.3 Энергетические характеристики электроприводов с частотным регулированием Из выражений (2.2) – (2.4) видно, что регулирование механических координат электродвигателя возможно за счет изменения частоты питающего напряжения. При этом, нужно обеспечить пропорциональное изменение амплитуды питающего напряжения, для обеспечения поддержания магнитного поля электродвигателя на номинальном значении и перегрузочной способности. Для реализации этого способа регулирования используется полупроводниковый преобразователь частоты. Схема электропривода с частотным регулировнаием представлена на рис. 2.10. 69 Рис. 2.10. Структурная схема регулируемого электропривода В зависимости от характера нагрузки используется специальный закон управления амплитудой и частотой напряжения статора асинхронного двигателя. В табл. 2.1. представлены законы частотного управления при разной нагрузке электропривода. Механические характеристики асинхронного электропривода с преобразователями частоты, реализующими разные законы частотного (скалярного) управления представлены на рис. 2.11. Проанализируем изменение потерь мощности при частотном регулировании механических характеристик асинхронного двигателя. На рис. 2.12 и рис. 2.13 показаны зависимости коэффициента полезного действия и коэффициента мощности от загрузки. Таблица 2.1 Виды нагрузки и законы частотного управления 70 Рис. 2.11 Механические характеристики асинхронного двигателя с частотным регулированием Рассмотрим переменные потери в асинхронном двигателе, для этого заменим значение синхронной частоты вращения и критического скольжения выражениями (2.4) и (2.6). Тогда выражение переменных потерь примет следующий вид (2.18) Из полученного выражения видно, что переменные потери не зависят от частоты напряжения и частоты вращения вала двигателя. Таким образом, частотное регулировапние обеспечивает постоянное значение потерь в асинхронном двигателе и коэффициент полезного действия. Также, за счет пропорционального изменения амплитуды напряжения статора и его частоты, обеспечивается постоянство магнитного потока и перегрузочной способности двигателя. Рис. 2.12. Коэффициент мощности Рис. 2.13. Коэффициент нагрузки 71 Приложение 3 Использование энергоэффективных двигателей в промышленных электроприводах 72 73 74 Учебное издание Составители: Басманов Владислав Геннадьевич Холманских Валерий Михайлович ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ И ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСАХ Учебно-методическое пособие Авторская редакция Тех. редактор Нилова А. В. Подписано к использованию 112.07.2022. Заказ № 184. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Вятский государственный университет». 610000, г. Киров, ул. Московская, 36, тел.: (8332) 74-25-63, http://vyatsu.ru
