ТЭП-Курс_лекций_04-2006
.pdf5 ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЭП
Одна и та же алгоритм функционирования имеющий одинаковые технологические параметры , а также технические показатели можно реализовать с различными энергетическими затратами.
Если учесть, что ЭП в настоящее время потребляет около 70% всей вырабатываемой электроэнергии, становится, очевидно, что цена неоправданных потерь электрической энергии весьма велика. К основным энергетическим показателям ЭП относятся: КПД , коэффициент мощности , обобщенный критерий электрической эффективности Н .
5.1 КПД ЭП
Функционирование ЭП в процессе преобразования или передачи энергии W неизбежно сопровождается потерями W . Весьма важно – соотношение между W и W , которое в общем, виде носит название КПД:
|
W |
(117*) |
|
WW
Вчастном случае, если ЭП работает в режиме S1, т.е. в режиме с P PНОМ , который мо-
жет быть представлен в виде нагрузочной диаграмм (рис.126). В этом случае:
|
|
P |
|
|
|
(118) |
||
P P |
||||||||
В частном случае, если P PВЫХ : |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|||
|
PВЫХ |
|
РВЫХ |
|
(119) |
|||
|
РВХ |
|
||||||
|
PВЫХ |
P |
|
|
|
|
Рис.126 Нагрузочная диаграмма
Такое выражение для КПД обычно применяют при паспортизации различного типа устройств, где используется понятие номинального КПД:
|
PВЫХ .НОМ |
(120) |
|
PВЫХ .НОМ PНОМ.
При этом обычно составляются графические зависимости:
f ( PВЫХ. )
РВЫХ.НОМ.
PВЫХ . - коэффициент загрузки
РВЫХ .НОМ.
111
Рис.127 Зависимость КПД от коэффициента загрузки
Выражение (118), (119), (120) представлены для мгновенных мощностей и как, следствие не учитывают различные режимы работы ЭП, а также их длительности.
Обычно переход от соотношения (118), (119) и (120) к выражению (117*) осуществляется с помощью интегрирования выражений (118), (119), (120). В частности для циклических процессов наиболее универсальным и точным значением КПД является циклический КПД:
Ц. |
|
WЦ. |
(121) |
WЦ. WЦ. |
|||
где WЦ. - переданная (преобразованная) энергия за цикл |
|||
WЦ. - потери энергии за цикл |
|
|
|
|
|
tЦ |
|
WЦ. Рidt |
(122) |
||
|
|
0 |
|
|
|
tЦ |
|
WЦ. |
Рidt |
(123) |
|
|
|
0 |
|
Но, чтобы иметь точное графическое представление о цикловом КПД необходимо ввести понятие о так называемом, использований КПД. Для одного и того же циклического процесса КПД, рассчитанный по выражениям (121) и (118) могут существенно отличаться. В этой связи не имеет смысла и зачастую приводит к ошибке применяемые на практике сравнение различных режимов КПД без учёта режима их работы. Например: «Реостатное регулирование не экономично, а регулирование по системе преобразователь – двигатель экономично, то есть ничто иное, как некомпетентный штамп. Фактическая оценка эффективности может быть сделана только с учётом особенностей режимов работы ЭП, а также их продолжительности. Чтобы проиллюстрировать это выражение рассмотрим следующий пример:
Пусть ЭП, обеспечивающий |
|
регулирование скорости в диапазоне Д |
НОМ. |
, |
|||||||||
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
MC MНОМ. , работает в циклическом режиме со скоростями вращения |
i , на каждой ступени |
||||||||||||
цикла привод работает одинаковое время: t1 |
t2 |
........ ti |
|
|
|
||||||||
В этом случае: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(1 |
|
)ti |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
Д |
|
|
|
|
|||||
|
i |
|
НОМ. |
1 |
|
|
|
|
, где Д - диапазон регулирования. |
||||
|
tЦ. |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
112
Рис.128 Временная диаграмма
Рассмотрим 2 варианта регулирования скорости:
1.Реостатное – изменение активного сопротивления цепи ротора.
2.регулирование по системе П-Д .
Чтобы найти выражение, соответствующее цикловому КПД по формуле (121) для обоих вариантов найдём выражение для потерь мощности Pi .
В случае реостатного регулирования (АД):
Pi MНОМ. 0Si MНОМ.( 0 i )
Потери мощности для того же двигателя для системы ПД:
Pi MНОМ. 0b- при одинаковой продолжительности ступеней цикла
где b - коэффициент, учитывающий дополнительные потери в преобразовательном устройстве (ПУ):
b PПУ.
РНОМ.
тогда, подставляя эти значения в уравнения (4) и (5) получим:
Д 1
1. Реостатное регулирование: Ц.РЕОСТ. НОМ. 2Д
Д 1
2. П-Д: Ц.П Д. НОМ. 2Дв (1 Д 2Дв) НОМ.
Если для обоих представленных выражений рассчитаем функцию, выраженную зависимость отношения циклового КПД к паспортному от величины диапазона регулирования для различных вариантов, то получим следующие графические зависимости (рис.129):
Ц. f (Д)
НОМ.
Рис.129 Графическая зависимость отношения циклового КПД к паспортному от величины диапазона регулирования для различных вариантов.
По построенным зависимостям видно, |
что даже при очень хороших условиях |
НОМ. 0,85и b 2 (b 2- характерен на упрощающей системе УСП-Д). |
|
Система П-Д имеет преимущества по Ц. |
перед реостатным, лишь при условии что |
Д 1,5:1. |
|
|
113 |
При малых диапазонах Д 1,5:1реостатное регулирование более энергетически эффективно.
Если же b 3(система Г-Д, то регулирование по системе П-Д предпочтительнее, только при диапазонах боде 3:1). Естественно при этом нельзя забывать и о других преимуществах системы П-Д.
Случай разноправленного потока энергии
Говоря об энергетической эффективности, мы не учитывали при определении КПД разнонаправленность потоков энергии, характерных для некоторых режимов. В частности при оценке полезности того или иного режима необходимо учитывать, что например для ряда случаев торможение является не менее, а зачастую более полезным, чем двигательный режим.
При этом динамические характеристики будут иметь вид:
РРАЗГ, М 0
РТОРМ , М 0
Рис.130 Динамические характеристики
При определении WЦ. по (3) необходимо использовать абсолютное значение Рi :
tЦ
Рi dt
Ц. |
tЦ |
0 |
(124) |
tЦ |
Pi dt Pi dt
00
5.2Обобщенный критерий энергетической эффективности
Все перечисленные оценки энергетической эффективности не обеспечивают необходимую точность.
Для абсолютно точной оценки энергетической эффективности необходимо учитывать так же следующие факторы :
1.точно определить место энергетического канала, где оценивается энергетическая эффективность
2.точно указывать элементы энергетического канала, потери мощности в которых настолько существенны, что их необходимо учитывать
3.точно определиться интервал времени, для которого оценка справедлива
С учётом перечисленных уточнений критерием энергетической эффективности является «обобщенный» критерий энергетической эффективности:
|
t |
, |
|
Wt1, |
|
Hi,k e |
|
i,i 1 |
, где |
||
1 |
|
|
|||
|
|
e |
|||
|
|
|
|
Wi,ti1,1 Wjt1, |
|
|
|
|
|
j k |
|
114
|
t1 |
|||||
Wi,ti1,1 |
|
Pi,i 1(t) |
|
dt |
||
|
|
|||||
|
t1 |
|||||
|
t1 |
|||||
Wjt1 |
|
Pj (t) |
dt |
|||
|
|
|
t1 |
Здесь перечисленные уточнения выражаются:
1.точно указанным местом оценки между iи i 1элементами силового канала ЭП
2.элементы в которых учитываются потери от k -го до l- го. Для потерь введен свой индекс интегрирования j .
3.учитывается время отсчитанное , от некоторого момента времени t1
5.3 Коэффициент мощности
Перечисленные критерии энергетической эффективности не учитывают дополнительных потерь мощности в электрической части силового канала ЭП за счёт сдвига фаз между напряжением и первой гармоникой тока. Эти потери характеризуются коэффициентом мощности который в общем виде может быт представлен:
|
P |
Cos |
(125) |
|
|||
|
UI |
|
- коэффициент искажения
I(1) , здесь
I
U,I и I(1) - действующие значения тока, напряжения и тока первой гармоники;
Cos (1) - косинус угла сдвига фаз между напряжением и током первой гармоники;
Если коэффициент искажения близок к 1 Cos (1) :
P PПТ
Cos2 (1)
PПТ - потери мощности при передаче энергии постоянным током.
115
6 НАДЁЖНОСТЬ ЭП. Основные понятия, критерии надёжности
Надёжность – свойство устройства выполнять требуемые функции, сохраняя во времени значения установленных (нормативных) эксплуатационных показателей в заданных пределах.
Устройство – совокупность совместно действующих объектов (система), предназначенная для самостоятельного функционирования, либо часть системы, не имеющая самостоятельного эксплуатационного назначения «элемент».
Надёжность – комплексное свойство, обусловленное сочетаниями следующих критериев:
1.работоспособность
2.безотказность
3.ремонтопригодность
4.долговечность
5.сохраняемость
Работоспособность – состояние устройства. при котором оно способно выполнять заданные функции, сохраняя заданные значения параметров в пределах установленных научнотехнической документации.
Безотказность – свойство устройства сохранять работоспособность в течение некоторого времени, которое называется наработка.
Отказ – событие, заключающееся в нарушении работоспособности устройства. Различают:
1.скачкообразные (внезапные)
2.постепенные отказы
которые заключаются в изменении одного или нескольких параметров устройства в течении некоторого промежутка времени.
Самоустраняющийся отказ (сбой) – такой отказ, который приводит к кратковременному нарушению работоспособности.
Ремонтопригодность – свойство устройства, заключается в приспособленности к предупреждению и обнаружению возникновения отказа и устранению их последствий путём проведения ремонтов и технического обслуживания. Устройство, работоспособность которого, в случае возникновения отказа может быть восстановлена, называют – ремонтируемыми. В про-
тивном случае – неремонтируемым .
Долговечность – свойство устройства сохранять работоспособность до наступления предельного состояния, при условии соблюдения системы технического обслуживания.
Предельное состояние – состояние устройства, при котором его дальнейшая эксплуатация должна быть прекращена по техническим, экономическим причинам, условием эксплуатации или необходимости, какого либо вида ремонта.
Сохраняемость – свойство устройства непрерывно сохранять исправное и работоспособное состояние в течении хранения и транспортировки.
6.1 Показатели надёжности
Под показателями надёжности следует понимать количественные характеристики одного или нескольких критериев надёжности, при этом те показатели, которое относится к одному из критериев – единичные, те которые к нескольким – комплексные.
Показатели для восстановлеваемых и невосстановлеваемых устройств различны. Существующие ЭП – восстановлеваемые системы. Для них основные показатели надёжности:
1.вероятность наработки между отказа Р(ТЗ )больше заданного значения ТЗ
2.параметр потока отказов (интенсивность отказов) или плотность отказов
116
3.наработка на отказ:
Плотность вероятности возникновения потока отказов для рассматриваемого момента времени Т
равно отношению наработки к математическому ожиданию числа его отказов за время Т
T T 1 m
В установившихся режимах, при (t) const
4.вероятность восстановления в заданное время ( З ), где ( З )- среднее время. вос-
становления.
6.2 Расчёт показателей надёжности
Обычно при расчёте показателей надёжности ЭП используют коэффициентный метод. При этом в расчёте используют не абсолютные, значения интенсивности i , а их относитель-
ные значения:
ki i - коэффициент надежности
б
где б - интенсивность отказов базового элемента
Кроме того, полученный таким образом коэффициент надежности ki независимый от ус-
ловий эксплуатации и будет являться для существующего элемента постоянной определённой величиной.
Для учёта воздействия величины электрических нагрузок, а также температуры окружающей среды в расчёт вводятся поправочные коэффициенты ai , которые определяются с помощью таблиц или номограмм исходными данными для которых является IIНОМ. и
0 t0 .
Учёт других более слабо действующих дестабилизирующих факторов (влажность, запылённость) производиться с помощью введения относительного значения базового значения элемента 'б б (так же находиться по таблицам).
С учётом направок на режим рабочий и дестабилизирующие факторы:
k'i ( 'б )ki k ai
б j 1
Кроме того при расчёте коэффициентов надёжности необходимо учитывать время активной работы элемента, следствие вводиться результирующее значение:
k''i k'i IИСП. - коэффициент использования.
Для расчёта надёжности по коэффициентному методу состоится логическая схема система, которая характеризуется соединение основных элементов системы, в процессе выполнения её функции.
Основными элементами ЭП, неисправность которых повлечёт за собой нарушение надёжности всей системы является преобразователь, двигатель, измерительный преобразователь, входное устройство преобразователя – реактор.
Все 4 перечисленных элемента соединены последовательно между собой. При этом отказ одного из этих элементов приведёт к отказу всей системы в целом.
Исходные данные для расчёта надежности:
1.используемые элементы
2.электрические режимы работы
3.температурные режимы
4.базовые коэффициенты надежности
5.условие эксплуатации
117
6.коэффициенты использования
Наименование |
ki.НОМ. |
|
|
|
|
'б |
|
|
0 |
|
|
аi |
Ii |
ki '' |
Среднее время |
||||
и тип элемента |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
восстановления Д |
|
|
|
|
|
|
б |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
2 |
|
3 |
|
|
|
4 |
|
|
5 |
|
6 |
|
7 |
8 |
9 |
|||
1. Реактор |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2. Преобразователь |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3. ЭД |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4. Измерительный пре- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
образователь |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
TЗ |
10000часов |
|
|
|
|||||||||||
|
|
Р(Т |
З ) exp |
|
|
i n |
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
б |
ТЗ Nik''i |
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
i 1 |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
tН |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
i k |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
б Niki '' |
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
i 1 |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
i k |
N |
iki '' |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
tб |
( |
) bi , |
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
i k |
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
i 1 |
Nik'' |
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
i 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
где N - количество элементов, для которых производится расчёт надёжности;б - интенсивность отказов базового элемента б 0,03 10 6 (часов 1);
Р(ТЗ )- вероятность наработки между отказами более 10000 часов; tН - наработка на отказ;
tб - математическое ожидание времени восстания работоспособности.
118