Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Энергосбережение средствами электропривода и автоматики. Учебное пособие.pdf
ЮЖНО-РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ (НПИ) ИМЕНИ М.И. ПЛАТОВА
Шахтинский автодорожный институт (филиал) ЮРГПУ(НПИ)
им. М.И. Платова
Д.В. Волков
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ СРЕДСТВАМИ
ЭЛЕКТРОПРИВОДА И АВТОМАТИКИ
Учебное пособие
Москва
Ай Пи Ар Медиа
2025
УДК 621.3
ББК 31.291
В67
Автор:
Волков Д.В. — канд. техн. наук, доц. кафедры
транспортной безопасности и управления дорожной инфраструктурой
Шахтинского автодорожного института (филиала)
ЮРГПУ (НПИ) им. М.И. Платова
Рецензенты:
Насонов А.А. — канд. техн. наук, доц., зав. кафедрой
транспортной безопасности и управления дорожной инфраструктурой
ЮРГПУ (НПИ) им. М.И. Платова;
Меньшенин С.Е. — канд. техн. наук, доц. кафедры
транспортной безопасности и управления дорожной инфраструктурой
Шахтинского автодорожного института (филиала)
ЮРГПУ (НПИ) им. М.И. Платова
Волков, Дмитрий Владимирович.
В67 Энергосбережение средствами электропривода и автоматики : учебное
пособие / Д.В. Волков. — Москва : Ай Пи Ар Медиа, 2025. — 88 с. — Текст :
электронный.
ISBN 978-5-4497-4589-7
В учебном пособии рассмотрены энергетические свойства элементов
электропривода, основные пути энергосбережения. Показаны примеры энергосберегающих решений в электроприводе. В издании рассматриваются как теоретические вопросы энергосбережения, так и практические пути его реализации.
Подготовлено в соответствии с Федеральным государственным образовательным стандартом высшего образования.
Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлению подготовки «Электроэнергетика и электротехника», изучающих дисциплину «Энергосбережение средствами электропривода и автоматики».
Учебное электронное издание
ISBN 978-5-4497-4589-7 © Волков Д.В., 2025
© Оригинал-макет, оформление.
ООО Компания «Ай Пи Ар Медиа», 2025
Учебное издание
Волков Дмитрий Владимирович
Редактор М.В. Леман
Технический редактор, компьютерная верстка Е.А. Семенова
Обложка Я.А. Кирсанов, С.С. Сизиумова, фотобанк Freepik
Подписано к использованию 31.07.2025. Объем данных 7 Мб.
ООО Компания «Ай Пи Ар Медиа»
8 800 555 22 35 (бесплатный звонок по России)
E-mail: sales@iprmedia.ru
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................................. 5
1. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРОПРИВОДА .................................................................... 6
1.1. Потери энергии в установившемся режиме ................................................. 6
1.2. Потери энергии в переходных режимах ..................................................... 17
1.3. Энергетические характеристики преобразователей электроэнергии...... 24
1.4. Управление потоком двигателя................................................................... 29
1.5. Оптимизация электроприводов постоянного тока .................................... 32
1.6. Оптимизация электроприводов переменного тока ................................... 36
1.6.1. Оптимизация частотно-управляемых
асинхронных электроприводов .................................................................... 36
1.6.2. Оптимизация асинхронных электроприводов
при постоянной частоте тока статора ................................................... 39
2. ОСНОВНЫЕ ПУТИ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ ............................................. 43
2.1. Замена малонагруженных двигателей
на двигатели меньшей мощности ...................................................................... 43
2.2. Ограничение времени работы двигателя на холостом ходу .................... 44
2.3. Питание асинхронного двигателя регулируемым напряжением ............. 45
2.4. Переключение обмоток двигателя с треугольника на звезду .................. 46
2.5. Внедрение регулируемого привода ............................................................ 47
3. ПРИМЕРЫ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ РЕШЕНИЙ
В ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ .......................................................................................... 48
3.1. Энергосбережение в системах водоснабжения ......................................... 48
3.2. Энергосбережение в системах воздушного отопления ............................ 51
3.3. Энергосбережение в лифтовых установках ............................................... 51
3.4. Энергосбережение в системах непрерывного транспорта ....................... 54
3.5. Энергосбережение в электроприводах подъемных кранов ...................... 56
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ................................................................ 58
ПРИЛОЖЕНИЯ ....................................................................................................... 59
Приложение А. Крановые двигатели с короткозамкнутым ротором ............. 59
Приложение Б. Основные данные
электродвигателей общего исполнения ............................................................ 76
4
ВВЕДЕНИЕ
Учебное пособие рассматривает вопросы энергосбережения применительно к построению электроприводов промышленных и коммунальных механизмов. Следует отметить, что данные вопросы недостаточно освещены в литературе направления «Электроэнергетика и электротехника». Если рассматривать издания, посвященные энергосбережению [1–3], то в них будут
рассматриваться, прежде всего: энергосбережение в общем виде и его нормативная база, особенности построения электросетей и способы экономии энергии в них, особенности учета электроэнергии и другие общие вопросы. Вопросы, касающиеся рационального построения и управления электроприводом с
целью энергосбережения если и рассматриваются, то весьма поверхностно.
Похожая ситуация наблюдается и в книгах по электроприводу. Существует
множество хороших учебников по электроприводу, в том числе, выпущенных в
недавние годы [4–6]. Однако в них вопросы энергетики рассматриваются поверхностно, часто без акцентирования внимания на вопросах энергосбережения. Что,
впрочем, вполне объяснимо: в данных изданиях рассматривается множество других важных вопросов построения и анализа электроприводов.
Вопросы энергосбережения рассматриваются в ряде специальных изданий, например, [7, 8]. В них подробно рассмотрены теоретические вопросы
анализа потерь в электроприводах и способы их минимизации. Однако, часто
недостаточно внимания уделяется практическому воплощению предложенных
решений, и особенностям их применения на конкретных объектах.
В рамках данного учебного пособия сделана попытка соединить в одном
издании как теоретические вопросы энергосбережения в электроприводах, так и
указание практических путей энергосбережения и рассмотрение способов реализации энергосберегающих электроприводов в конкретных установках, отраслях промышленности и коммунального хозяйства.
Учебное пособие изначально предназначено для студентов направления
«Электроэнергетика и электротехника», как непосредственно изучающих дисциплину «Энергосбережение средствами электропривода и автоматики», так и
изучающих другие дисциплины, связанные с проектированием и применением
электроприводов. В частности, издание может пригодиться в процессе курсового и дипломного проектирования электроприводов, модернизации электроприводов различных установок и комплексов. В ходе такого проектирования нередко основной целью ставится получение наиболее энергоэффективного решения, то есть оно напрямую связано с вопросами энергосбережения
средствами электропривода и автоматики.
Кроме того, учебное пособие может быть полезно всем, кто интересуется
вопросами энергосбережения в установках и комплексах с электроприводами.
5
1. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
VKP +=∆
ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
1.1. ПОТЕРИ ЭНЕРГИИ В УСТАНОВИВШЕМСЯ РЕЖИМЕ
При работе электродвигателя в нем возникают потери энергии, наличием
которых и обусловлено неединичное значение его КПД
ле подразделяются на постоянные потери — то есть потери, величина которых
не зависит от нагрузки двигателя, и переменные, величина которых меняется с
изменением нагрузки и равна нулю на холостом ходу. То есть, общие потери
энергии ΔР можно представить в виде суммы постоянных потерь K и переменных потерь V:
1
. Все потери в двигате-
. (1.1)
К постоянным потерям относятся потери в стали магнитопровода (на перемагничивание и вихревые токи), механические потери от трения и вентиляционные потери. В синхронных двигателях и двигателях постоянного тока с независимым возбуждением к постоянным потерям обычно относят и потери в
обмотках возбуждения. Для двигателя последовательного возбуждения потери
в обмотке возбуждения должны быть отнесены к переменным потерям.
При этом ошибочно считать постоянные потери неизменными. Они не зависят от нагрузки двигателя, но могут зависеть от других факторов: от скорости
двигателя, амплитуды и частоты питающего его напряжения и ряда других
факторов. Однако, поскольку эти потери изменяются незначительно, они обычно принимаются неизменными и равными номинальным.
Под переменными подразумеваются потери, выделяемые в обмотках двигателей при протекании по ним токов, определяемых механической нагрузкой
электропривода. Этими токами могут быть токи различных обмоток, поэтому
для общности будем говорить о неком токе двигателя I, пропорциональном развиваемому моменту. Так, в двигателях постоянного тока таким током является
ток якоря.
Рассмотрим подробнее потери в двигателе. Наиболее просто и наглядно
это можно сделать на примере двигателя постоянного тока, для определенности, независимого возбуждения. В нем возникнут следующие постоянные потери: механические, потери в стали и потери на возбуждение. Эти потери постоянны в том смысле, что не зависят от нагрузки двигателя.
1
Коэффициент полезного действия.
6
Механические потери есть потери на трение в подшипниках, щеток о
n
ном
МномМ
KK )(
ω
ω
=
Мном
K
ном
ω
2
)()(
номном
СТномСТ
f
f
KK
Φ
Φ
=
β
СТном
K
ном
f
f
ном
ω
ω
22
)(
Вном
В
ВномВВВ
I
I
KrIK ==
В
I
В
r
ВВномВном
rIK
2
=
Вном
I
коллектор, о воздух и на работу вентилятора в двигателях с самовентиляцией.
Эти потери определяются как:
Вт, (1.2)
где
номинальной угловой скорости
— номинальное значение механических потерь, Вт, соответствующее
, рад/с; ω — угловая скорость двигателя,
рад/с; n = 1,0–2,0 — показатель степени, характеризующий зависимость потерь
от угловой скорости, причем большие значения соответствуют самовентилируемым двигателям.
Потери в стали есть потери на гистерезис и вихревые токи, возникающие
в магнитном материале при нахождении его в поле переменного тока:
Вт, (1.3)
где
место при частоте переменного тока f, Гц, равной номинальному значению f
— номинальное значение потерь в стали, Вт, которое будет иметь
ном
и амплитуде магнитного потока Ф равной номинальному значению Ф
ном
β = 1,2…1,5 — показатель степени, зависящий от марки стали.
Для двигателя постоянного тока частота переменного тока в его якорных
обмотках определяется его частотой вращения, то есть в формулу (1.3) вместо
можно подставить
.
Потери на возбуждение в двигателе постоянного тока находятся как:
Вт, (1.4)
где
иметь место при номинальном токе возбуждения
— ток возбуждения, А;
— номинальные потери на возбуждение, Вт, которые будут
— сопротивление обмотки возбуждения, Ом;
, А.
;
7
Переменные потери мощности в двигателе постоянного тока представ-
22
)(
ном
номa
I
I
VRIV ==
a
R
ном
V
ном
I
лены потерями в обмотке якоря от якорного тока:
Вт, (1.5)
где
— сопротивление якорной обмотки и щеточных контактов, Ом;
—
номинальные переменные потери, Вт, которые будут иметь место при номинальном токе якоря
.
Известно, что для двигателя постоянного тока независимого возбуждения
ток якоря пропорционален моменту нагрузки.
Потери в асинхронном двигателе имеют ту же природу, что и в двигателе
постоянного тока, но их выражения менее наглядны. Механические потери
определяются по той же формуле (1.2). Потери в стали в основном представлены потерями пакете статора, так как частота тока в обмотке ротора не превышает единиц герц. Потери в стали могут быть определены по формуле (1.3), где
частота f есть частота напряжения питания двигателя, Гц, а амплитуда магнитного потока будет пропорциональна напряжению на двигателе.
Рис. 1.1. Схема замещения фазы асинхронного двигателя
Потери на возбуждение двигателя постоянного тока имеют свой аналог и
в асинхронном двигателе, это потери энергии на создание главного магнитного
потока в двигателе. Но, если в двигателе постоянного тока имеется обмотка
возбуждения, предназначенная только для создания главного магнитного потока, то в асинхронном двигателе главный поток создается обмоткой статора, в
которой и возникают потери на «возбуждение». Возникновение этих потерь
удобно проследить, пользуясь Т-образной схемой замещения фазы асинхронного двигателя, которая приведена на рис. 1.1.
8
На этой схеме имеется контур намагничивания, содержащий главную ин-
2
1
1
2022
1
121
120
)(
ном
ВномВ
U
U
K
LR
RU
RIK =
ω+
==
1
U
номU1
ω
2
2
2
21
2
2
)
'
'
()'('3
ном
ном
I
I
VRRIV =+=
ном
V
ном
U
U
U =
*
дуктивность L
которые зависят от напряжения питания U
(ЭДС) фазы E
ния L
для чего по ней должен протекать ток намагничивания. Однако этот же
0,
ток протекает через активное сопротивление первичной цепи R
и активное сопротивление R0, изображающее потери в стали,
0
, а точнее — электродвижущей силы
1
. Главный поток двигателя создает индуктивность намагничива-
0
, создавая в нем
1
потери мощности на возбуждение. Эти потери можно определить как:
Вт, (1.6)
где
В;
и
— угловая частота питающего напряжения.
— напряжение питания двигателя и его номинальное значение,
Переменные потери в асинхронном двигателе определяются выделением
мощности на резисторах R
I
’. Этот ток и является током, определяющим нагрузку двигателя:
2
и R2' при прохождении по ним тока вторичной цепи
1
Вт, (1.7)
где
— номинальные переменные потери в двигателе, Вт.
Ток вторичной цепи асинхронного двигателя I
’ можно в первом прибли-
2
жении считать пропорциональным моменту, развиваемому двигателем.
Приведенные зависимости дают абсолютные значения потерь в двигателе
в различных режимах работы. Для анализа энергоэффективности двигателя и
поиска наиболее эффективных режимов работы, а также для получения обобщенных результатов представляют интерес относительные оценки потерь. В
основе них лежит система относительных единиц, в которой рассматриваемая
величина выражается в виде отношения ее к базовой величине. За базовую величину принимают, как правило, номинальное значение величины, либо некое
иное значение, которое может быть удобно задано или измерено. Например, за
базовое значение напряжения U может быть принято его номинальное значение
U
, тогда относительное значение напряжения будет равно:
ном
отн. ед. (1.8)
9
При напряжении U, равном номинальному U
ном
I
I
I =
*
I
ном
I
ном
I
I
I
'
'
2
2
*
=
ном
M
M
M =
*
ном
Φ
Φ
=Φ
*
***
Φ= IM
1*=Φ
**
IM =
**
f=
ω
, его относительное значе-
ном
ние U
будет равно 1,0.
*
Аналогично можно выразить в относительных единицах ток двигателя.
Для двигателя постоянного тока:
, (1.9)
где
— ток якоря, А;
— номинальный ток якоря, А.
То же для асинхронного двигателя:
. (1.10)
Дополнительным преимуществом системы относительных единиц является то, что некоторые величины оказываются численно равны друг другу и,
фактически, тождественны, тогда как в абсолютных единицах они отличаются
коэффициентом. Так, если принять за базовые значения момента и магнитного
потока их номинальные значения, то есть:
,
,
то окажется, что момент двигателя может быть выражен как:
, (1.11)
а при работе с полным потоком, то есть
, окажется что
, то есть
величины момента и тока в относительных величинах численно равны.
Аналогично можно сказать, что будут численно равны угловая скорость и
частота переменного тока, определяющая потери в стали:
. (1.12)
Для асинхронного двигателя это будет приближенное равенство ввиду
наличия скольжения.
10