Основы эффективного энергоиспользования на производственных предприятиях дорожной отрасли

к прогрессивным технологиям можно отнести использование электростатиче­ ского поля для окраски изделий, сортировки и смешивания материалов, плазменный нагрев, поверхностную закалку с помощью лазерных установок и токами высокой частоты, автоматическую сварку на переменном токе, электроискровую и электроимпульсную обработку металлов, перевод изделий с металлообработки на штампов­ ку (если это допускается по техническим условиям), замену в некоторых случаях фрезерования штамповкой, применение индукционного нагрева деталей вместо на­ грева в печах сопротивления и т. п.

Большое значение для энергосбережения имеет также интенсификация произ­ водственных процессов, например повышение скорости резания обрабатывающих станков, ускорения нагрева путем увеличения удельной мощности без изменения вида нагрева и т. п. Должное внимание необходимо уделять улучшению энергетиче­ ских режимов электроприводов на основе регулирования частоты вращения двига­ телей и скорости подачи изделий, материалов или продуктов.

6.3. Основы рационального использования электродвигателей

Для привода разнообразных механизмов и установок используются асинхрон­ ные электродвигатели с короткозамкнутым и фазным ротором, синхронные элек­ тродвигатели и двигатели постоянного тока. Выбор того или иного типа электро­ привода зависит от требований, предъявляемых к нему технологическими установ­ ками, и оказывает влияние на величину потребляемой электроэнергии.

Асинхронные электродвигатели получили наибольшее распространение в раз­ личных отраслях народного хозяйства. Это объясняется их простотой устройства, надежностью работы и удобством эксплуатации.

Рассмотрим некоторые рабочие характеристики трехфазного асинхронного электродвигателя, влияющие на электропотребление. Расход электрической энергии двигателем зависит от потребляемой им мощности, продолжительности работы, частоты включений, а также параметров питающей электрической сети. В общем случае КПД электродвигателя может быть представлен как

180

где Р\ - активная мощность, потребляемая двигателем из сети;

ZAP - суммарные потери мощности в двигателе:

При условии незначительного изменения напряжения и частоты в питающей сети к постоянным потерям можно отнести магнитные потери в стали (на гистерезис

Механические потери на трение в подшипниках и вентиляцию электродвигате­

ля относительно невелики (5— 10 % от суммарных потерь мощности) и их уменьше­ нию способствует своевременная и качественная смазка подшипниковых узлов, а также правильная эксплуатация двигателя.

Переменные потери мощности включают в себя электрические потери в обмот­ ках статора и ротора АРэ, добавочные потери АРд, вызванные высшими гармониче­ скими составляющими в кривой тока и эффектом вытеснения тока, электрические

Переменные потери зависят от квадрата тока нагрузки двигателя.

При номинальной нагрузке КПД современных асинхронных двигателей мощно­ стью свыше 100 кВт составляет 0,92—0,96, мощностью 1— 100 кВт - 0,7—0,9, а микромашин - 0,4—0,6 (большие значения КПД относятся к машинам большей мощности).

Условием максимума КПД является такая нагрузка двигателя, при которой АРпер ^ АРпостПри проектрфовании электрических машин стремяться к тому, чтобы данное условие выполнялось при наиболее вероятной нагрузке двигателя, несколько меньшей номинальной. В двигателе средней и большой мощности это условие вы­ полняется при нагрузках 60—85 % от номинальной.

181

Важным энергетическим показателем электродвигателей переменного тока яв­

ной нагрузке. При переходе от режима холостого хода к режиму номинальной на­

- фактическая и номинальная мощности двигателя).

Как видно из рис. 6.5, у современных асинхронных электродвигателей макси­ мальное значение КПД достигается при Р2 - 0,6 Рном и в диапазоне нагрузок 0,6— 1 от номинальной остается приблизительно одинаковым. Работа асинхронного элек­ тродвигателя при малых нагрузках, когда созф двигателя невелик, в энергетическом отношении нецелесообразна.

С целью обеспечения рационального электропотребления следует избегать длительной работы двигателей на холостом ходу и так организовывать техноло­ гический процесс, чтобы асинхронные электродвигатели были загружены в соот­ ветствии с их номинальной мощностью. Если двигатель значительную часть време­ ни загружен менее чем на 40 % номинальной мощности, то для повышения коэффи­ циента мощности целесообразно уменьшать напряжение, подаваемое на фазы об­ мотки статора. В двигателях, работающих при соединении обмоток статора в тре­ угольник, этого можно достигнуть переключением обмоток в звезду. Переключение

182

По параметрам а и Ь ш диаграмме находят показатель эффективности г. Затем определяется часовая экономия электроэнергии в системе электропривода по выра­ жению

3600

Уменьшения расхода электроэнергии на электропривод производственных ме­ ханизмов можно достичь заменой малонагруженных электродвигателей. Если сис­ тематическая средняя нагрузка двигателя составляет менее 45 % номинальной мощности, то замена его двигателем меньшей мощности всегда целесообразна. При нагрузке двигателя более 70 % номинальной мощности заменять его, как пра­ вило, не имеет смысла. Целесообразность замены двигателей с нагрузкой 45— 70 % номинальной мощности определяется расчетом. Замена целесообразна, если в ре­ зультате снижаются суммарные потери мощности. При этом следует учитывать, что чем ниже номинальная мощность электродвигателя, тем меньше номинальные зна­ чения КПД и коэффициента мощности.

С целью снижения удельного расхода электроэнергии многих производствен­ ных установок необходимо регулировать частоту вращения их приводных электро­ двигателей.

Регулирование частоты вращения асинхронных электродвигателей можно про­ изводить изменением величины подводимого напряжения или активного сопротивления в цепи ротора (для двигателей с фазным ротором), частоты тока, числа пар полюсов обмотки статора (для двигателей с короткозамкнутым ротором). Наибольшее распространение получили два последних способа, так как другие способы имеют низкую эффективность.

Для частотного регулирования необходим источник питания двигателя переменным током с регулируемой частотой. В качестве таких источников могут ис­ пользоваться преобразователи частоты (электромашинные, ионные или полупро­ водниковые). Наиболее эффективными являются тиристорные преобразователи час­ тоты.

185

Упрощенная схема преобразователя частоты тока для регулирования частоты вращения асинхронного двигателя М показана на рис.6.8. В состав преобразователя

входят управляемый выпрямитель (УВ) с системой

ЯЯО R

При регулировании частоты вращения двигателя при условии постоянства мо­ мента нагрузки (м = М' =const), подводимое к двигателю напряжение следует изме­

В этом случае мощность электродвигателя увеличивается пропорционально на­

растанию частоты вращения.

Если регулирование производиться по условию постоянства мощности двигате­

ля, то величина подводимого напряжения должна изменяться по формуле

186

сторные преобразователи частоты имеют высокую стоимость. Поэтому такой способ наиболее эффективен при одновременном регулировании частоты вращения группы двигателей, работающих в одинаковых условиях, например рольганговых двигате­ лей. Частотное регулирование целесообразно также применять для двигателей, раз­ мещенных в пожаро- и взрывоопасных зонах, где применение коллекторных двига­ телей недопустимо.

Расширение области применения регулируемого электропривода на тради­ ционно нерегулируемые установки (насосы, воздуходувки и т. п.) позволяет существенно повысить эффективность использования электроэнергии на про­

мышленных предприятиях.

В качестве иллюстрации на рис.6.9 приведена зависимость мощности на валу агрегата «асинхронный двигатель - центробежный насос» от относительной про­

изводительности О* = —^ (здесь Q и 0 НОМфактическая и номинальная производи- ^ном

тельность насоса) при различных напорах, выраженных в долях от максимального:

н

(здесь Н и Ящах - фактический и максимальный напор, создаваемый насо­

н, сом). На рис. 6.9 прямая 1 соответствует регулированию производительности за­

движкой на напорном трубопроводе при постоянной частоте вращения, кривые - ре­ гулированию путем изменения частоты вращения рабочего колеса с помощью регу­ лируемого электропривода. Очевидно, что при применении регулируемого электро­ привода для обеспечения одной и той же производительности требуется значитель­ но меньшая мощность, чем при регулировании задвижкой.

Регулирование частоты вращения электродвигателя изменением числа пар по­ люсов обмотки статора осуществляется ступенчато и позволяет получить следую-

щие синхронные частоты вращения: 3000, 1500, 1000, 750, 600 ----- . Невозможность

мин.

плавного регулирования частоты вращения двигателей снижает область применения этого способа. Синхронные электродвигатели имеют более высокий КПД по отно­ шению к асинхронным электродвигателям той же мощности.

187

источника реактивной мощности определяется на основе соответствующих расче­ тов. С целью поддержания оптимального режима реактивной мощности синхронные двигатели должны иметь устройства автоматического регулирования возбуждения. При этом регулирование возбуждения может вестись в функгщи тока статора или его активной составляющей, коэффициента мощности двигателя или узла нагрузки, реактивной мощности двигателя, напряжения сети и т. д. Двигатели, не применяе­ мые для компенсации реактивной мощности, должны работать с коэффициентом мощности, близким к единице, что способствует снижению потерь электроэнергии в электрических сетях.

Электродвигатели постоянного тока допускается применять только для меха­ низмов, требующих широкой и гшавной регулировки частоты вращения (если час­ тотное регулирование асинхронных двигателей не экономично или не обеспечивает заданный технологичесгсий режим), а тагсже для механизмов, интенсивно работаю­ щих в поворотно-кратковременных или перемежающихся режимах. Питание элек­ тродвигателей постоягшого тока может осуществляться по схеме «генератор - дви­ гатель» (Г-Д) (рис. 6.11) или от тиристорньгх преобразователей (рис.6.12). Более экономичным вариантом является питание двигателей от преобразователей.

ООО

Приводной механизм присоединяется к электродвигателям с помощью механи­ ческой передачи. При соединении муфтой КПД передачи 0,98— 1. Клиноременная передача имеет КПД 0,95, а плоскоременная - 0,9. Таким образом, от примеггяемой

189