Тема 2.2. Енергетичний аудит електрообладнання

Лекція 4

2.2.1. Системи забезпечення електричною енергією.

Аналіз ефективності споживання електроенергії. Розрахунки збитків потужності та напруги в елементах. Компенсація реактивної потужності. Підвищення коефіцієнта потужності споживачів електроенергії. Раціональне використання електроенергії у промислових та побутових електроосвітлювальних установках.

Література: [3]: с.117, 149-155, [2]: с.48-90.

2.2.2. Електроприводи.

Ефективність приводів. Вибір раціонального коефіцієнта навантаження з урахуванням конструктивних особливостей. Вибір енергетично ефективних електродвигунів та розрахунки ефекту. Електронне керування приводами. Автоматичне регулювання приводами: полупровідникові перетворювачи напруги, частоти, контролери ККД, стабілізатори потужності. Ефективність механічних передагод.

Література: [3]: с. 135-140, [2]: с.71-79, 90-96.

2.2.1. Системи забезпечення електричною енергією.

Оцінка споживання енергії електроприводами (вентиляторів і помп)

Найбільша кількість енергії на виробництві споживають, електродвигуни. Крім приводу верстатів і механізмів, різноманіття яких залежить від характеру виробництва, практично на всіх виробництвах електродвигуни застосовують для надавання руху вентиляторів, помп, ліфтів, конвеєрів і компресорів. Приклад визначення кількості енергії, що споживається вентиляторами, наведений у табл. 2.2.1.1

Розглянемо деякі особливості, які варто враховувати під час визначення кількості електроенергії, які споживають двигуни вентиляторів і помп.

Номінальна потужність електродвигунів. Номінальна потужність двигуна звичайно зазначена на його інформаційній табличці (шильде).

Коефіцієнт середнього завантаження.Коефіцієнт середнього завантаження можна визначити за допомогою наявного амперметра або токоизмерительных кліщів. Його можна також обчислити через виміряне постачання повітря (води), що порівнюють із номінальною продуктивністю вентилятора (помпи), за цим співвідношенням визначають власне енергоспоживання (див. графік нижче). Необхідно також ураховувати наявність системи автоматичного керування приводів з регульованою швидкістю (див. графік нижче).

Робочий час протягом року. Для визначення тривалості роботи електропривода варто виходити із графіка роботу встаткування, що обслуговується вентиляційною або помповою системою. Потрібно також ураховувати перебування двигуна в стані гарячого (холодного) резерву, а також наявність системи автоматичного керування.

Количество енергії, що споживається двигунами вентиляторів або помп залежить від номінальної потужності двигуна й обсягу виконаної роботи. Якщо двигун, потужність якого відповідає потужності вентилятора або насоса, постійно працює на повну потужність, то він забезпечує запланований максимальний обсяг вентилювання повітря (помпирование води). Однак часто цей обсяг є надлишковим. Зменшити його з відповідним зменшенням енергоспоживання можна за допомогою засувок або регулюванням швидкості обігу двигуна. На рис наведений зв'язок між відносною споживаною потужністю й відносною продуктивністю (витратою) для вентилятора (а) і помпи (б) залежно від способу регулювання продуктивності механізмів. На рис видно, що для обох механізмів використання механічних пристосувань, таких як засувки, менш ефективно, чим електронних регуляторів швидкості двигуна, наприклад, регуляторів частоти.

Визначаючи споживання енергії обертовими електроприводами вентиляторів і помп, энергоаудитор повинен ураховувати всі перераховані вище фактори. Це допоможе виявити потенціал енергозбереження, наприклад, за рахунок ефективного керування потоками.

Таблиця 2.2.1.1 Визначення споживання електроенергії пристроями кондиціювання повітря

Призначення пристрою	Потужність двигунів, кВт	Умови експлуатації: час використання·коефіцієнт навантаження., годин	Річне споживання енергії, кВт·год
Постачання повітря в админпомещения	3,75	8760·0,5	16425
Витяжна вентиляція адмінприміщення	3,30 (оцінка)	8760·0,5	14454
Постачання повітря в палату 1/2	4,12	8760·1,0	36091,2
Постачання повітря в палату 3/4	4,12	8760·1,0	36091,2
Постачання повітря в палату 5/6	4,12	8760·1,0	36091,2
Постачання повітря в палату 11/12	4,12	8760·1,0	36091,2
Постачання повітря в палату 15/16	2,25	8760·1,0	19710
Постачання повітря в палату 17/18	2,25	8760·1,0	19710
Постачання повітря в пральню	0,50 (оцінка)	8760·0,3	1314
Витяжна вентиляція в пральні	0,22	8760·0,3	5781,6
Постачання повітря в палату 9	2,25	8760·0,1	19710
Постачання повітря в їдальню	1,50	8760·1,0	13140
Постачання повітря на кухню	7,50	8760· -	-
Витяжна вентиляція кухні 1	0,82	8760·0,6	4309,9
Витяжна вентиляція кухні 2	1,20	8760·0,6	6307,2
Витяжна вентиляція кухні 2	1,20	8760·0,6	6307,2
Витяжна вентиляція кухні 3	1,10	8760·0,6	5781,6
Постачання повітря в хол	3,75	8760·1,0	32850
Витяжна вентиляція холу	3,30 (оцінка)	8760·1,0	28908
Постачання повітря в коридор	3,75	8760·1,0	32850
Постачання повітря у фізіотерапевтичне відділення	1,12	8760·1,0	9811,2
Разом	57,29		395137,3

Оцінка споживання енергії іншими електроприводами й офісним устаткуванням

Крім вентиляторів, помп і компресорів обертові електроприводи застосують і в іншім оснащенні. Прикладами можуть служити ліфти, конвеєри, вакуумні насоси й серводвигуни для автоматичного встаткування. Для такого оснащення немає чітких правил оцінки электропотребления. Кожний випадок розглядають індивідуально. Використання персональних комп'ютерів, принтерів і іншого офісного встаткування визначає зростання споживання енергії. Простий спосіб оцінки енергоспоживання складається в:

• підрахунку годин використання оснащення протягом року

• використанні даних про потужності відповідного встаткування.

Номінальна потужність персональних комп'ютерів лежить у границях 90-140 Вт, середня - у границях 49-128 Вт моніторів - номінальна в границях 60-205 Вт середня - у границях 32-198 Вт, лазерних принтерів - номінальна в границях 650-900 Вт, середня - у границях 75-125 Вт, копіювальних апаратів - номінальна в границях 1250-2200 Вт, середня - у границях 120-990 Вт.

Оцінка споживання енергії електронагрівальним і холодильним оснащенням

Електронагрівальне оснащення містить широку гаму приладів різноманітного призначення. Сюди належить устаткування підприємств громадського харчування (електричні печі), пралень (сушильні камери), іспитових стендів (климатизационные камери). У промисловому виробництві застосовують електричне оснащення, що генерує пари (для заводських пресів, парових стерилізаторів). Електричну енергію використають у високотемпературних электротермических установках (топлення алюмінію; інфрачервоне, індукційне й високочастотне нагрівання, пряме резистивное нагрівання).

Холодильне оснащення базується на парокомпрессионном циклі теплової помпи, але можуть застосовуватися й електронагрівальні пароабсорбционные цикли.

Навряд чи потрібна оцінка енергоспоживання високотемпературних і електронагрівальних процесів, оскільки відповідне встаткування має власні лічильники. Однак, для невеликих користувачів оцінка споживання, як правило, єдиний практичний шлях визначення кількості спожитої енергії. Приклад визначення споживання енергії електронагрівальним устаткуванням наведений у таблиці 2.2.1.2

Зупиняємося тепер на обставинах, які варто враховувати під час визначення номінальної потужності встаткування, його коефіцієнта середнього завантаження й річного часу використання.

Номінальна потужність устаткування.Звичайно номінальна потужність устаткування вказується на його інформаційній табличці (шильде). Варто звернути увагу, що для деякого оснащення може вказуватися окремо потужність приводу й потужність нагрівальних елементів.

Коефіцієнт середнього завантаження.Тут варто враховувати як періоди нагрівання, якщо встаткування працює на повну потужність, так і періоди підтримки температури із частковим (близько 30%) споживанням енергії. Устаткування, що працює короткими циклами, може мати вищий коефіцієнт середнього навантаження, чим устаткування, що працює на одному рівні протягом тривалого часу.

Робочий час у плині року.Визначення цієї величини є проблематичної. Найкращий метод оцінки тривалості роботи протягом року - досвід операторів.

Таблиця 2.2.1.2 Оцінка споживання енергії електронагрівальним і холодильним устаткуванням

Електроустаткування	Потужність двигунів, кВт	Умови експлуатації: час використання·коефіцієнт навантаження., годин	Річне споживання енергії, кВт·ч
Відцентрова пральна машина	2,0	1040·0,6	1248
Тунельна пральна машина	86,0	1040·0,5	44720
Центрифуга 1	2,2	208·1,0	457,6
Центрифуга 2	2,0	26·1,0	52
Центрифуга 3	2,0	26·1,0	52
Електропіч	9,0	4992·0,2	8985,6
Сублімаційна установка 1	7,5	4680·0,1	35100
Сублімаційна установка 2	7,5	2600·0,1	19500
Сублімаційна установка 3	4,0	2340·1,0	9360
Сублімаційна установка (мікро)	1,0	3744·0,7	2620,8
Пральна машина Доусона	1,0	1040·0,6	624
Центрифуга (мікро)	2,0	26·1,0	52
Холодильник	0,22	8765·0,3	578,49
Устаткування цеху	42,0	104·0,8	577,9
Усього	168,42		126843,7

Ефективності перетворення енергії в джерелах світла.

Здоровий глузд підказує використати такий тип ламп, що забезпечує максимальний світловий потік на Ват потужності лампи (максимальну світловіддачу) за умови, що інші характеристики лампи задовольняють вимоги до конкретної освітлювальної установки.

Світловіддача кожного типу лампи може бути визначена на основі інформації про лампу й схему її включення.

У випадку проектування нової освітлювальної установки необхідно порівнювати придатні типи ламп і застосовувати ті, які мають найвищу світловіддачу.

У випадку аналізу діючої освітлювальної установки варто визначити тип використовуваних ламп. Якщо лампи цього типу мають низьку світловіддачу, варто проаналізувати можливість використання більше ефективних ламп. У деяких випадках це не вимагає будь-яких змін в установці поза заміною ламп, в інші - можуть знадобитися зміни в установці із установленням нових елементів оснащення. Енергетичне обстеження системи висвітлення вимагає оцінки кількості й типів ламп, оцінка тривалості роботи й ефективності системи керування. Необхідно, щоб рівень освітленості певної робочої площини відповідав нормативам. Портативні люксметри коштують близько 100 доларів.

1 - лампи розжарення з вольфрамовою ниткою;

2 - галогенні лампи розжарення з вольфрамовою ниткою;

3 - комбіновані ртутні лампи високого тиску з вольфрамовою ниткою;

4 - ртутні лампи високого тиску;

5 - газорозрядні лампи низького тиску (люмінесцентні лампи);

6 - металлогалоидные лампи;

7 - натрієві лампи високого тиску;

8 - натрієві лампи низького тиску.

Розглянемо приклад щодо системи висвітлення. Автостоянку висвітлюють 10 галогенних ламп із вольфрамовими нитками розжарення потужністю 500 Вт кожна. Лампи включають і виключають вручну працівники охорони автостоянки, які іноді залишають лампи включеними на денний час.

Для заощадження енергії запропоновано замінити ці лампи десятьма натрієвими лампами високого тиску потужністю 114 Вт (разом із втратами потужності в пускорегулирующей апаратурам). Завдяки більшій світловіддачі натрієвих ламп рівень освітленості залишається на попередньому рівні. Крім того, запропоновано встановити автоматичне керування висвітленням системою з фотоелектричним датчиком.

Необхідно визначити кількість зекономленої за рік енергії й указати інші позитивні наслідки реконструкції системи висвітлення.

Уважається, що чекаючи поточного ремонту в неробочому стані перебувають, у середніх, дві з галогенно-вольфрамових ламп і, завдяки вищій надійності, лише одна з ламп високого тиску.

Таблиця 2.2.1.3

Показник	Нинішня ситуація	Поліпшена ситуація
Установлена потужність, кВт	5,00	1,14
Коефіцієнт середнього навантаження	0,8	0,9
Тривалість роботи в році, годин	5400	3650
Річне енергоспоживання, кВт·год	21100	3745

Обсяг річного заощадження енергії (кВт·год): 21600-3745 = 17855

Інші позитивні фактори реконструкції системи висвітлення:

• зменшення витрат на заміну ламп;

• зменшення витрат на оплату техничного обслуговування системи;

• підвищення рівня освітленості.

Компенсація реактивної потужності

Компенсація реактивної потужності є складовою частиною комплексу організаційно-технічних заходів щодо регулювання режимів електроспоживання й обмеженню максимумів навантаження на промислових підприємствах;

Реактивна потужність визначається при синусоїдальній напрузі живильної мережі в такий спосіб:

1) у випадку однофазних навантажень – як добуток діючих значень прикладеної напруги й першої гармоніки споживаного струму 1щ на синус кута зрушення <р між ними:

Q = UI₍₁₎ sinφ = Р tgφ,

де tgφ>=Q/P - коефіцієнт реактивної потужності, Р= UI₍₁₎ cosφ - активна потужність навантаження, a cosφ -коефіцієнт;

2) у випадку трифазних навантажень – як алгебраїчна сума фазних реактивних потужностей

Q = Q₁ + Q₂ + Q₃

Реактивна потужність характеризується знаком (позитивним при відстаючому струмі (φ > ПРО), негативним при випереджальному струмі (φ < 0) і задовольняє умові балансу по всьому ланцюзі. Одиниця виміру реактивної потужності - ВАР (вольт ампер реактивний).

Рівень компенсируемой реактивної потужності Q_к визначається як різниця реактивних потужностей навантаження підприємства Q_п надаваної підприємству енергосистемою Q_е:

Q_к=Q_п – Q_е = P(tgφ_п – tgφ_е)

Електромотори, флюоресцентные лампи, індукційні печі, зварювальні апарати для дугового зварювання на змінному струмі або зварювання контактним опором споживають як активну потужність, так і значну реактивну потужність. Потреба в реактивній потужності звичайно перевищує можливість її покриття генераторами на електростанціях, оскільки дуже більша частина промислових навантажень - це споживачі реактивної потужності.

Основними споживачами реактивної потужності на промислових підприємствах є:

• Асинхронні двигуни (45-65%);

• Електропечные установки (8%);

• Вентильні перетворювачі (10%);

• Трансформатори всіх ступенів трансформації (20-25%)

Практично всі показники якості електроенергії по напрузі залежать від обсягів споживання реактивної потужності промисловими навантаженнями.

Зниження споживання реактивної потужності, тобто збільшення коефіцієнта потужності дозволяє:

• Знизити діюче значення споживаного струму й зменшити перетин передавальних елементів мережі;

• Зменшити повну потужність і знизити встановлену потужність трансформаторів, а також їхнє число;

• Скоротити втрати активної потужності й зменшити потужність генераторів на електростанціях.

У таблиці 2.2.1.4 наведені дані, що ілюструють, як зміни в cosφ позначаються на втратах.

Звичайно компенсація реактивної потужності реалізується за допомогою таких технічних засобів як, що компенсують пристрої, різного роду: синхронні двигуни, комплектні конденсаторні установки, фильтрокомпенсирующие пристрою й т.п., які розташовуються в тих або інших місцях мережі споживача.

Сутність будь-яких заходів щодо зниження споживаної реактивної потужності полягає в обмеженні впливу електроприемника на живильну мережу за допомогою впливу на сам електроприемник. До таких заходів ставляться:

Рис. 2.2.1.1. Трансформатор (1), електромотор (2) і конденсатор (3). У прикладі без використання конденсатора, навантаження на трансформатор і електричну мережу зростають через реактивну потужність (стрілки у вигляді крапок). Цього можна уникнути, як у прикладі праворуч, коли тільки активна потужність (стрілки у вигляді жирних лд|ний) впливає на навантаження.

Таблиця 2.2.1.4 Зниження реактивних втрат

Колишній	0,5	0,5	0,6	0,6	0,7	0,7	0,8
Новыйcosφ	0,8	0,9	0,8	0,9	0,8	0,9	0,9
Зниження струму, %	37,5	44,5	25	33	12,5	22	11
Зниження втрат по опорі, (%)	61	69	43,5	55,5	23	39,5	21

1) Підвищення завантаження технологічних агрегатів по потужності, а саме:

• Збільшення завантаження асинхронних двигунів, (збільшення робочого струму підвищує коефіцієнт потужності);

• Перемикання обмоток навантажених асинхронних двигунів (перехід від трикутника до зірки знижує потужність двигуна в 3 рази, і це цілком доцільно робити при завантаженні до 40%);

• Потужність трансформаторів повинна вибиратися близької до необхідного навантаження;

2) Підвищення завантаження технологічних агрегатів за часом, у тому числі:

• Застосування обмежників холостого ходу асинхронних електродвигунів і зварювальних агрегатів;

3. Заміна асинхронних двигунів синхронними;

4. Заміна, перестановка й виключення малозагруженных технологічних агрегатів, наприклад:

• Трансформаторів, завантажених менш 30 % від номінальної потужності;

5. Доцільність заміни, перестановки або виключення окремих технологічних агрегатів повинна бути обґрунтована техніко-економічним розрахунком, причому технічні показники системи, куди входять агрегати, не повинні погіршуватися;

6. Застосування перетворювачів з більшим числом фаз випрямлення, штучною комутацією вентилів і обмеженим змістом вищих гармонік у споживаному струмі;

7. Почергове й несиметричне керування тиристорними перетворювачами.

Вибору технічних засобів компенсації реактивної потужності повинен передувати ретельний техніко-економічний аналіз у зв'язку з їхньою високою вартістю й складністю. Природно, компенсація реактивної потужності повинна здійснюватися до економічно виправданого рівня: зниження вартості втрат електроенергії не повинне перевищувати додаткових витрат на що компенсують

стройства. При розробці заходів щодо зниження реактивної потужності спочатку необхідно, наскільки це можливо, знизити реактивність властиво споживачів, а тільки потім розглядати технічні способи її компенсації.

Як технічні засоби компенсації можуть використатися:

• Обертові компенсатори (синхронні двигуни полегшеної конструкції без навантаження на валу);

• Комплектні конденсаторні батареї;

• Статичні компенсатори (наприклад, керовані тиристорами реактори або конденсатори, що комутирують тиристорами,);

• Тиристорні джерела реактивної потужності, і т.п.

Вибір типу, потужності, місця установки й принципу керування пристроями компенсації повинен забезпечувати найбільший досяга эффект, що, при дотриманні всіх вимог. При цьому варто враховувати, що:

• Найбільший економічний, ефект досягається при розміщенні засобів компенсації в безпосередній близькості від електроприемника;

• Індивідуальна компенсація найбільш ефективна й доцільна в потужних електроприемников, але супроводжується відключенням пристрою, що компенсує, з відключенням споживача.

Електродвигуни

Коефіцієнт потужності електродвигунів може бути збільшений такими способами:

• Регулювання струму порушення синхронних двигунів для подачі або прийому реактивної потужності. Таким чином, для оптимізації коефіцієнта потужності на підприємстві можуть бути використані існуючі двигуни.

• У той же час, що існують синхронні двигуни, які працюють у холостому режимі з перепорушенням поля, можуть бути використані для підвищення коефіцієнта потужності. Коректування коефіцієнта потужності може бути більше экономочески ефективна в більших масштабах (напр. 50000 ква реактивної потужності), чим при використанні статичних конденсаторів.

• Статичні конденсатори можуть установлюватися поблизу одиничного навантаження (наприклад, електромотора) з більшою кількістю робочих годин, скорочуючи при цьому втрати напруги для всього електричного ланцюга. Конденсатори можуть установлюватися й для групи різних навантажень.

Деякі з типових ємностей статичних конденсаторів для коректування одиничних асинхронних двигунів перераховані в таблиці 2.2.1.5:

Таблиця 2.2.1.5

Параметри двигуна (квт) 380 В 3 фазн.	Статичний конденсатор (кВАР) в % від потужності двигуна)
1 - 3	50 %
4 - 10	45 %
11 - 29	40 %
30-	35 %

Коефіцієнт потужності при повнім навантаженні складе приблизно 0,92, а при холостому режимі роботи - близько 1,0. Ємність статичного конденсатора не повинна перевищувати 80% реактивного навантаження двигуна в режимі холостого режиму роботи для запобігання виникнення проблем при відключенні двигуна. Необхідно також внести зміни в існуючий захист двигуна (по струму) відповідно до нового (низьким) струмом.

Трансформатори

Загальні рекомендації для трансформаторів - вибір статичного конденсатора, ємністю (кВАР) відповідної 3% потужності трансформатора.

Як видно з таблиці 15, з використанням трансформаторів із сердечником з аморфного металу, рівень втрат може бути знижений на третину.

Якщо на підприємстві встановлено кілька трансформаторів, то ті трансформатори, які працюють у холостому режимі, повинні бути відключені щоб уникнути втрат холостої роботи. Необхідно також оцінити втрати в існуючих кабельних з'єднаннях.

Таблиця 2.2.1.6

Трансформатор (кВА) 3 фазний	Втрати в сердечнику (Вт) кремниево - аморфний метал.		Втрати в обмотці (Вт) кремниево - аморфний метал.
300	516	167	1854	1538
750	864	269	4886	5388
1000	1129	374	5983	5626

Системи висвітлення

Для систем освітлення, статичний конденсатор можна вибрати по таблиці 2.2.1.7.

Принципове поліпшення положення з компенсацією реактивної потужності на підприємствах можливо за умови використання електротехнічного встаткування, що поставляє в комплекті із пристроями, що компенсують, у тому числі із силовими активними фільтрами струму або напруги.

Таблиця 2.2.1.7 Вибір конденсатора для компенсації реактивної потужності

Потужність джерела світла (Вт)	Люмін.трубка з паралельною схемою компенсації 220 В (мкф)	Люм.трубка з послідовною схемою компенсації 420 У (мкф)	Натрієва лампа високого тиску 220 В (мкф)	Ртутна лампа високого тиску 220 В (мкф)
20	4.5	2.9	-	-
22	5	3.2	-	-
30	4.5	3	-	-
32	5	3.6	-	-
36	4.5	3.6	6	-
38	4.5	3.6	-	-
40	4.5	3.6	-	-
42	6	4.4	-	-
50	-		10	7
58	7	5.7	-	-
65	7	5.7	-	-
80	-	-	10	8
100	16	-	12	-
125	-	-	-	10
150	-	-	20	-
250	-	-	36	18
400	-	-	45	25
700	-	-	100	40
1000	.	-	100	60