3. Оптимизация режимов работы электрооборудования

Эффективность использования электрооборудования оценива­ют по суммарным затратам на единицу наработки, она зависит от многих факторов. Большое влияние на нее оказывает степень заг­рузки электрооборудования. Актуальность правильного выбора степени загрузки возрастает в связи с широким применением ав­томатизированных электроприводов в сельскохозяйственном производстве.

Для электроприводов зависимость критерия эффективности от степени загрузки имеет сложный нелинейный характер. При малой степени загрузки электропривод имеет низкие значения КПД и cos ср. Увеличение степени загрузки приводит к улучшению энергетических показателей, но при этом возникают отрицатель­ные последствия — перегрев и снижение надежности двигателя. Лишь при оптимальной степени загрузки суммарные затраты дос­тигают наименьшего значения, а эффективность эксплуатации электропривода будет наивысшей. В соответствии с повсемест­ным применением двигателей даже незначительные погрешнос­ти выбора их степени загрузки приводят к большому экономи­ческому ущербу.

Задача обоснования оптимальной степени загрузки электро­оборудования — выявить и сравнить положительные и отрица­тельные последствия, возникающие при увеличении загрузки, и выбрать такую степень загрузки, при которой можно получить наилучшее значение критерия эффективности эксплуатации. В ча­стном случае таким критерием служат суммарные потери дви­гателя.

Оптимизация степени загрузки двигателя по суммарным потерям.

Степень загрузки выражают через коэффициент β. В теории электрических машин установлено, что суммарные потери дви­гателя имеют наименьшее значение при коэффициенте загрузки , равном корню квадратному из отношения потерь дви­гателя:

где , — потери холостого хода (постоянные) и короткого замыкания (пере­менные), о. е.

Полученный по (4.6) результат ( ) — итог решения частной за­дачи, в которой не приняты во внимание потери в системе элект­роснабжения. С целью более точного учета реальных факторов объектом изучения при оптимизации степени загрузки должен быть не только двигатель, но и система И—Э—Т—С. Комплекс­ный учет характеристик двигателя и системы сельского электро­снабжения отражен в оптимальном коэффициенте загрузки:

где с — коэффициент увеличения потерь за счет системы электроснабжения (с = 1,1...1,2); — эквивалент реактивной мощности, показывающий значе­ние активных потерь в сетях от каждого квар реактивной мощности двигателя ( = 0,12...0,18 кВт/квар); q_xx, — реактивные мощности холостого хода (намагничивания) и короткого замыкания (рассеивания), о.е.

Реактивная мощность намагничивания двигателя больше его мощности рассеивания и поэтому всегда . Оптимальная степень загрузки по критерию минимума потерь в системе И—Э— Т—С всегда больше степени загрузки, оптимизирующей лишь КПД двигателя. Расчеты выявляют заметное отличие результатов оптимизации по разным критериям (β = 0,7...0,8; β_опт = 0,80...0,95) и подтверждают, что полный учет реальных факторов эксплуата­ции позволяет уточнить итоги оптимизации.

Вместе с тем следует отметить высокую устойчивость энергети­ческих свойств асинхронных двигателей при изменении их степе­ни загрузки. Отступления от оптимума в пределах ±30 % приводят к увеличению потерь не более чем на 7 % от минимального уров­ня. Лишь при уменьшении степени загрузки ниже 40 % можно на­блюдать интенсивное снижение КПД. Для кардинального умень­шения потерь энергии, обусловленных электроприводами, важно не только правильно выбирать степень загрузки при эксплуатации двигателей, но и увеличивать номинальный КПД на стадии их разработки и внедрять компенсацию реактивной мощности. Спо­собы снижения потерь эффективны для сельскохозяйственных электроприводов в связи с низким КПД сельской системы элект­роснабжения из-за большой ее протяженности и четырех—шести­кратной трансформации электроэнергии.

Оптимизация степени загрузки двигателя по надежности. Влия­ние степени загрузки на надежность двигателя проявляется в том, что с ее ростом увеличивается температура нагрева изоля­ции и сокращается срок службы двигателя (увеличение темпера­туры на каждые 8...10°С сокращает срок службы изоляции вдвое). Снижение же степени загрузки приводит к увеличению стоимости электропривода. Поэтому оптимальную по надежности степень загрузки выбирают по экономическим показателям систе­мы И—Э—Т—С с использованием коэффициента загрузки (ин­декс «з» — затраты). Критерием эффективности служат приве­денные затраты з на единицу наработки двигателя. Они включа­ют три составляющие: отчисления от балансовой стоимости элек­тропривода, затраты на его обслуживание, капитальный ремонт и технологический ущерб:

где Е — суммарный коэффициент отчислений; , , — удельные показатели отчислений и затрат на техническое обслуживание, ремонт, руб/(кВт • ч); у* — от­носительный технологический ущерб; — оптимальный коэффициент загрузки; — показатель, характеризующий влияние загрузки на интенсивность отказов двигателя.

Чтобы определить оптимальный коэффициент загрузки, вы­числим первую производную критерия (4.8) по и решим следу­ющее уравнение:

В результате находим уравнение оптимального коэффициента загрузки двигателя по критерию надежности

Из полученной зависимости видно: чем дороже приобретение и обслуживание двигателя, тем выше его оптимальный коэффи­циент загрузки, но с ростом технологического ущерба и затрат на капитальный ремонт он снижается. Например, у двигателя приво­да вакуумного насоса доильной установки, имеющей у* = 5, опти­мальный коэффициент загрузки в 1,4 раза меньше, чем у двигате­ля привода транспортера для уборки животноводческих помеще­ний, для которого у* = 0,3.

Коэффициент загрузки двигателя, оптимальный по потерям энергии — _опт, может не совпадать с коэффициентом загрузки, оптимальным по надежности — . Для двигателей, используемых на неответственных по технологическому ущербу объектах (у* < 0,5), отдают предпочтение критерию потерь энергии. Когда отказ двигателя вызывает большой технологический ущерб — при­нимают критерий надежности. В тех случаях, когда нельзя отнести двигатель к первой или второй группе, выбирают коэффициент загрузки β между значениями и .

Экономичные режимы работы трансформаторов. Для повышения надежности электроснабжения ответственных потребителей на сельских подстанциях устанавливают несколько трансформато­ров, которые чаще всего работают на общие шины при неравно­мерном графике нагрузки. Число одновременно работающих трансформаторов влияет на экономичность их использования и стоимость потерь энергии в них. Очевидно, что по мере снижения нагрузки часть трансформаторов можно отключить и тем самым сократить потери энергии. Определим условия выбора оптималь­ного варианта включения двух трансформаторов на параллельную работу при изменении их нагрузки. Чтобы найти предельную мощность нагрузки, при которой надо изменять схему, приравня­ем стоимость годовых потерь энергии в одном и двух трансформа­торах одинаковой номинальной мощности при одной и той же искомой оптимальной (предельной) нагрузке S_пр:

Отсюда

При увеличении нагрузки выше расчетной целесообразно включить оба трансформатора, а при понижении — один. Для трансформаторов напряжением 35/10 кВ номинальной мощнос­тью от 1 до 6,3 МВ • А и при средних соотношениях параметров, входящих в выражение (4.10), предельная нагрузка составляет примерно 100... 110% номинальной мощности Одного трансфор­матора.

Однако приведенный пример не учитывает, что и на передачу реактивной мощности также затрачивается активная мощность. Поэтому при определении наиболее выгодного по потерям числа параллельно работающих трансформаторов реактивные потери переводят в активные, как и при анализе нагрузки двигателей пу­тем умножения реактивной мощности потерь на экономический эквивалент :

где п — число трансформаторов; Р_хх, — активные мощности холостого хода и короткого замыкания; — экономический эквивалент (для трансформаторов распределительных сетей 6...10 кВ = 0,15 и для 35...110 кВ = 0,08); , — реактивные мощности холостого хода и короткого замыкания; β — коэффициент загрузки.

Учитывая (4.11), на подстанциях с трансформаторами одинако­вой мощности и конструкции число одновременно включенных трансформаторов можно определить следующими неравенствами: при возрастании нагрузки выгодно к п параллельно работающим трансформаторам подключить еще один трансформатор, если суммарная мощность нагрузки удовлетворяет условию

При убывании мощности нагрузки, наоборот, целесообразно отключить один из трансформаторов, если

Реактивные потери мощности

где , — ток холостого хода и напряжение короткого замыкания от соответ­ствующих номинальных параметров, %.

Для трансформаторов различной мощности такую задачу обыч­но решают графическим методом.