Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Энергосбережение в электроэнергетике и электроприводе. Методические указания к практическим занятиям по дисциплине «Энергосберегающие технологии» для
.pdf
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра электропривода
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ И ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ
Методические указания к практическим работам
по дисциплине «Энергосберегающие технологии»
для студентов направления подготовки
13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника»
В.Н. Мещеряков, Л.Н. Языкова
Липецкий государственный технический университет
Липецк
2017
Мещеряков В.Н.
М565 Энергосбережение в электроэнергетике и электроприводе [Текст]:
методические указания к практическим занятиям по дисциплине
«Энергосберегающие технологии» для студентов направления подготовки
13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника»/ В.Н. Мещеряков., Л.Н. Языкова.
− Липецк: Изд-во Липецкого государственного технического университета,
2017. − 28 с.
Методические указания содержат теоретические материалы и задачи для
освоения дисциплины «Энергосберегающие технологии» и предназначены для
студентов направления подготовки 13.03.02 «Электроэнергетика и
электротехника» профиля «Электропривод и автоматика»
Табл. 5. Рис. 9.
© ФГБОУ ВО «Липецкий государственный
технический университет», 2017
© Мещеряков В.Н., Языкова Л.Н., 2017
УДК 621.31(07)
М565
Рецензент Ю.И. Кудинов, проф.
c
p
м е х
p
об
p
д об
p
.
м ех c о б д об
p p p p p
(1.1)
2
%
1
10 0 % ,
P
P
(1.2)
1. Потери энергии и кпд электрических двигателей
В системах электропривода электрические двигатели выполняют
функцию преобразования электрической энергии в механическую. При
реализации рекуперативных тормозных режимов электропривода
осуществляется обратное преобразование энергии. К важнейшим
энергетическим показателям электрических двигателей относятся величины
потерь мощности и коэффициент полезного действия (кпд).
Двигатели, работающие с механической нагрузкой на валу, в общем
случае имеют следующие виды потерь энергии: потери в магнитопроводе (в
машинах переменного тока примерно 70% приходится на гистерезис и 30% – на
вихревые токи); механические потери, обусловленные всеми видами трения (в
подшипниках, крыльчатки вентилятора о воздух и др.); потери в обмотках и
скользящих контактах, обусловленные током нагрузки; добавочные потери,
составляющие 0,5% – 1% от потребляемой машиной мощности в номинальном
режиме, связанные с неравномерностью распределения плотности тока по
сечению проводников, искажением картины магнитного поля в воздушном
зазоре и др..
Потери в магнитопроводе
и механические потери
в сумме
остаются неизменными во всем диапазоне нагрузок. Сумма этих потерь
называется потерями холостого хода P0 или постоянными потерями. Потери в
обмотках
, скользящих контактах, а также добавочные потери
зависят от тока нагрузки. Их называют электрическими (нагрузочными) или
переменными потерями. Суммарные потери в электрических машинах
определяются по формуле
Коэффициент полезного действия электрических двигателей в общем
случае определяется выражением
3
1
Р
2
Р
12.
P P p
(1.3)
1
;1
p
P
(1.4)
2
1.
p
Pp
(1.5)
1
cos ,P m U I
(1.6)
co smU
1
.P U I
(1.7)
1
;.P А I А con s t
(1.8)
2
,
p В С I D I
,B con st
,C cons t
,D co n st
(1.9)
1
pP
I
где
– мощность, подведенная к двигателю (полная мощность);
– мощность, отдаваемая двигателем (полезная мощность).
Баланс мощностей можно представить в виде
Выражение (1.2) с учетом (1.3) можно представить как
Зависимость (1.4) используется для двигателей, уравнение (1.5) – для
генераторов.
Определим условия, при которых кпд двигателя наибольший. Для
двигателей переменного тока полная мощность отображается выражением
где m – число фаз; параметр
можно считать постоянным.
Полная мощность для машин постоянного тока
Если в рассматриваемой системе электропривода постоянного тока
напряжение U является величиной постоянной, то потребляемая мощность
зависит от тока нагрузки. Поэтому зависимость (1.7) можно представить в виде
Суммарные потери тогда представим как:
где B – потери холостого хода;
СI – потери в скользящих контактах;
DI2 – потери в обмотках машин.
КПД машины будет максимальным, если дробь
в выражениях
(1.4) и (1.5) имеет минимальное значение. Определим, при каком токе нагрузки
это произойдет. Исследуем на экстремум функцию, предварительно взяв
производную по току I и приравняв результат к нулю:
4
Рис. 1.1 Зависимость кпд от
полезной мощности P
2
в
относительных единицах
2
1
0
d p P
d В С I D I d B
C D I
dI dI A I dI I
(1.10)
2
0
B
D
I
2
.B D I
(1.11)
0
P
об
p
На рис 1.1 представлена
зависимость кпд от полезной
мощности
*
2
P
. Она рассчитана в
относительных единицах путем
деления текущего значения полезной
мощности на ее номинальное
значение
2 H
P
, называемое также
базовым. Относительные единицы
измерения весьма удобны для
определения параметров машин,
необходимых для их эксплуатации.
Из выражения (1.10) получаем:
;
Таким образом, кпд будет максимальным при таком токе нагрузки, когда
потери холостого хода
(постоянные потери) равны потерям в обмотках
(переменным потерям). Этот вывод справедлив для электрических двигателей
разного типа.
Большинство электрических двигателей работает с нагрузкой,
составляющей примерно 75% от вырабатываемой номинальной мощности.
Поэтому для общепромышленных целей двигатели проектируют так, чтобы их
кпд достигал максимума при такой нагрузке.
нагревом. Номинальной мощностью называется мощность, допустимая по
условиям нагрева. Все остальные параметры, характеризующие условия
работы, на которые рассчитан двигатель, называются номинальными.
Номинальные параметры указываются в паспортных данных. Это мощность на
Мощность электрических двигателей ограничена главным образом их
5
2 H
P
H
P
H
U
H
I
H
n
H
H
f
2 1 1
20
1
9, 55 9, 55 9, 55 1 ,
P P P p
M M M
n n n P
(1.12)
0
M
2
P
1
P
Для двигателя
постоянного тока независимого
возбуждения механическая
характеристика
)M(f
,
полученная при номинальных
напряжениях на обмотках якоря
и возбуждения, а также при
отсутствии добавочных
сопротивлений в цепи якоря,
называется естественной. Если
изменен хотя бы один из
перечисленных параметров, то
характеристику называют
искусственной.
Рис. 1.2. Рабочие характеристики
двигателя постоянного тока
независимого возбуждения
0,50,5
0,50
1
1
*
2
P
*
1
P
*
M
*
*
a
I
*
a
I
*
M
*
*
1
P
выходе
(
), напряжение
, ток
, частота вращения вала
, кпд
а для двигателей переменного тока еще и коэффициент мощности cos
частота сети
. Для двигателя номинальной мощностью является полезная
мощность на его валу.
Полезный момент двигателя (момент на валу) определяется как
где
– момент холостого хода;
и
– полезная и полная мощности двигателя.
Рабочие характеристики для двигателя постоянного тока параллельного
возбуждения показаны на рис.1.2, [1].
,
,
Н
потерями энергии. Потери энергии делятся на механические, магнитные,
электрические и добавочные. Первые два вида потерь относятся к постоянным
потерям, вторые два вида потерь – к переменным.
Преобразование энергии в асинхронном двигателе также связано с
6
Преобразование активной
мощности асинхронного двигателя
представлено на энергетической
диаграмме (рис. 1.3). Мощность
1
P
подводится из сети, за вычетом
потерь в магнитопроводе
1c
p
и
обмотке статора
1об
p
преобразуется в электромагнитную
мощность
ЭМ
P
, которая передается
через воздушный зазор машины в
ротор. В нормальном режиме
работы асинхронного двигателя
потери в магнитопроводе ротора
пропорциональны частоте
2
f
.
21
f f s.
ЭМ
P
M
2об
p
2
P
м ех
p
0
M
H
д об
p
1
P
д об
p
мехpдоб
p
2об
p
1об
p
1с
p
2P2
P
ЭМ
P
1
P
Рис. 1.3. Энергетическая
диаграмма асинхронного
двигателя
Этими потерями можно пренебречь, т.к. частота тока ротора
пропорциональна скольжению
благодаря которой возникает электромагнитный момент двигателя
вычетом потерь в обмотке ротора
механическую мощность
механические потери
развиваемого на роторе двигателя. Этот момент называется моментом
холостого хода
. Добавочные потери
подводимой к двигателю мощности
включают потери от пульсаций магнитного поля, высших гармонических
составляющих, насыщения, поверхностного эффекта и т.п. Потери
Электромагнитная мощность
, за
, преобразуется в полную
. На преодоление сил трения, которые составляют
, затрачивается часть электромагнитного момента,
, составляющие от 0,5 до 1 %
в номинальном режиме работы,
,
зависят от нагрузки двигателя
7
2
.
H
д об д об
pp
(1.13)
2
P
2
M
20
M M M
(1.14)
1 1 2
11
11
c о б о б м ех до б
p p p p p p
PP
(1.15)
Рабочие характеристики
трехфазного асинхронного
двигателя приведены на рис.
1.4. Они представляют
зависимость частоты
вращения ротора , момента
на валу
2
M
, тока статора
1
I
,
коэффициента мощности
1
co s
и кпд от полезной
мощности двигателя
2
P
.
'2
1 2 1
(I )
об
p m r
(1.16)
2об
p
' 2 '
2 2 2
(I )
об
p m r
(1.17)
2
%
1
100%
P
P
.
(1.18)
2
M
1
cos
1I2P0
I
0
cos
0
0
,
2
,M
1
,I
1
,cos
2H
P
Рис. 1.4. Рабочие характеристики
трехфазного асинхронного двигателя
Мощность
определяется моментом на валу двигателя
– полезная мощность или мощность на валу двигателя
:
Коэффициент полезного действия асинхронного двигателя:
Коэффициент полезного действия асинхронных двигателей средней и
большой мощности составляет 0,85-0,92. Большие значения кпд относятся к
двигателям более высоких номинальных мощностей.
Потери в статорной обмотке будут
Потери в обмотке ротора
Коэффициент полезного действия асинхронного двигателя приближенно
можно найти как
Для учета всех видов потерь целесообразнее пользоваться формулой
отображаются выражением
8
1
1
p
Р
(1.19)
p
11
2
22
1
1 0 1 1 1 1
1
Δ Δ Δ Δ Δ Δ
Δ,
м ех c о б об 2 д об
0 Э М д о бH
H
p = p + p + p + p + p =
I
= P - m I r + m I r + P s + p
I
(1.20)
1
Δ 0 , 0 0 5 ... 0, 0 1
д об H H
pP
U
2
U
1
Суммарные потери
где
в формуле (1.19) равны:
.
2. Энергосбережение при передаче (распределении) электроэнергии
Электроэнергетическая система это совокупность электростанций,
электрических и тепловых сетей, соединенных между собой и связанных
общностью режима в непрерывном процессе производства, преобразования и
распределения электрической энергии и тепла при общем управлении этим
режимом. [5]
Передача и распределение электрической энергии осуществляются
электрическими сетями, включающими трансформаторные и преобразовательные подстанции, распределительные устройства и воздушные или кабельные линии электропередачи (ЛЭП).
Передачу электроэнергии можно осуществлять при напряжении, вырабатываемом источником, согласованным с потребителем, или изменяя напряжение в ЛЭП с помощью трансформаторов (рис. 2.1).
Рис. 2.1. Система передачи электроэнергии без повышения напряжения - a;
с повышением напряжения -б в линии электропередачи
Проанализируем оба случая передачи электроэнергии, полагая, что
активная (полезная) нагрузка , обусловленная сопротивлением нагрузки
остается постоянной и передается при сопротивлении цепи R = const.
,
9
U
I,
R
=
(2.1)
P = U I.
(2.2)
11
P,= U I
(2.3)
22
P,= U I
(2.4)
n2
11
P = I R,
(2.5)
n2
22
P = I R.
(2.6)
n 2 2
1 1 1
n 2 2
2 2 2
P
.
P
I R I
=
I R I
(2.7)
2
n2
2
12
1
2
n2
21
2
2
P
.
P
P
U
U
=
P
U
U
(2.8)
В основе анализа лежат закон Ома и формула для расчета мощности
участка цепи:
При принятых допущениях полезная мощность, передаваемая
источником потребителю, равна
где индексы 1 и 2 относятся к схемам a и б на рис. 2.1 соответственно
Оценивая потери энергии в обоих случаях, можно сделать вывод, что они
отличаются
Относительная величина потерь
С учетом (2.3) и (2.4) имеем
Таким образом, потери при передаче электроэнергии обратно
пропорциональны квадрату напряжения. По этой причине в линиях
электропередачи используются высокие напряжения, которые в настоящее
время достигают 750-1150кВ. Это позволяет существенно снизить потери
мощности при передаче на большие расстояния по проводам небольшого
сечения, что также косвенным образом влияет на энергосбережение за счет
снижения материалоемкости ЛЭП.
Наличие трансформаторов в передающих и распределительных системах
переменного тока приводит к возникновению дополнительного индуктивного
сопротивления XL и дополнительным потерям за счет реактивной мощности Q.
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]