Климова - Энергосбережение.2014 (2)

при нагрузках от 0 до 380 кВ·А включать один из трансфор-

маторов;

при увеличении нагрузки от 380 до 1180 кВ·А подключить второй трансформатор;

при нагрузках более 1180 кВ·А экономически целесообразна параллельная работа всех трех трансформаторов.

Пример 6.2. На подстанции установлено два трансформатора мощностью 400 и 630 кВ·А. Из графиков приведенных потерь (рис. 6.2) можно выбрать оптимальный режим работы этих трансформаторов:

при нагрузках от 0 до 260кВ·А целесообразно включать один трансформатор 400кВ·А;

при нагрузках от 260 до 450кВ·А экономически выгодно трансформатор 400кВ·А вывести из работы, включив трансформатор

630кВ·А;

при росте нагрузок выше 450кВ·А целесообразна работа двух трансформаторов параллельно.

71

6.3. Экономия ЭЭ за счет увеличение нагрузки рабочих машин

Увеличение средней нагрузки рабочих машин снижает удельные расходы электроэнергии. Из рис.6.3 видно, что при уменьшении нагрузки снижается к.п.д. электродвигателя и особенно – рабочей машины.

Для определения экономии электроэнергии при увеличении нагрузки рабочих машин вводится понятие удельного расхода энергии, который равен количеству энергии, потребляемой двигателем из сети Wс, отнесенному к каждому кВт·ч полезной работы при данном техно-

логическом режиме:

Wп Pmax Tmax ,

где Wп энергия, потребляемая двигателем, кВтч; Pmax мощность, потребляемая рабочим органом машины, кВт; Tmax время полезной работы машины, ч.

Рис. 6.3_Зависимость к.п.д. рабочей машины м, двигателя д и всего привода 0 от коэффициента нагрузки kн

рабочей машины, кВт; kт Tmax / (Tmax Txx ) коэффициент использования рабочей машины; Txx время работы машины на холостом ходу;

коэффициент, зависящий от типа и конструкции рабочей машины,

равный 0,7 0,9.

72

При отсутствии холостого хода ( kт 1) удельный расход энергии

Y ' kн (1 мн) .

При максимальном использовании рабочей машины, т.е. при отсутствии холостого хода и полной нагрузке машины ( kн 1), удельный

расход энергии будет минимальным

Y0 1 (1 мн) .

мн

Отношение Y / Y0 определяет коэффициент увеличения

удельного расхода энергии в зависимости от нагрузки и продолжительности работы в режиме холостого хода

На рис. 6.4 приведены кривые f (kн) , по которым можно опре-

делить эффективность повышения нагрузки рабочих машин, определить экономию энергии, получаемую в результате повышения нагрузки рабочих машин.

, %

Рис. 6.4_Зависимость изменения удельных расходов электроэнергии от коэффициента нагрузки рабочей машины

Пример 6.3. Металлообрабатывающий станок постоянно работает с нагрузкой, равной 25% номинальной мощности ( kн 25 % ), и с про-

должительностью периода холостого хода, равной 50% ( kт 0,5 % ).

73

В этом случае удельный расход энергии по сравнению с минимально возможным удельным расходом энергии при полном использовании станка по графику рис. 6.4 составит 250 %.

При увеличении нагрузки станка до kн 80 % и сокращении периода холостого вращения до kт 0,9 %, увеличение удельного расхода

T (1) 3 руб./кВт ч годовая экономия составит

Э W T T (1) 2,14 5000 3 32100 руб.

6.4. Экономия электрической энергии средствами электропривода

От 60 до 80% нагрузки в промышленности обеспечивается асинхронными двигателями. К основным принципам экономии ЭЭ в электроприводе и средствами электропривода, когда не используется регулирование скорости, можно отнести:

1.Правильный выбор основного оборудования, в первую очередь, электродвигателя и редуктора, если он используется.

2.Использование энергосберегающих двигателей. Приме-

нение в конструкции асинхронных двигателей (АД) на 25–30% больше активных материалов (железа, меди, алюминия) на 30% позволяет снизить потери ЭЭ, повысить КПД на 5% в двигателях малой мощности и на 1% в двигателях мощностью 70–100 кВт. Цена таких двигателей на 20–30% больше обычных, срок окупаемости за счет сокращения эксплуатационных издержек составляет 2–3 года [31].

Принимая решение о замене существующих АД на энергосберегающие следует учесть, что расчетная экономия ЭЭ будет достигаться лишь при маломеняющейся и близкой к номинальной нагрузке. При резкопеременной нагрузке (значительной доле холостого хода в цикле) экономия будет меньше расчетной.

3.Уменьшение потерь в питающих сетях. Проблема потерь мощности возникает за счет низкого, особенно при малых нагрузках,

коэффициента мощности cos . К техническим решениям, позволяю-

щим увеличить коэффициент мощности до нормативных значений [12], относится компенсация реактивных нагрузок посредством регулируе-

74

мых конденсаторных батарей, синхронных компенсаторов, фильтрокомпенсирующих устройств.

Большинство этих приемов ориентированы на нерегулируемый, а иногда и сильно недогруженный электропривод с асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором. Достигаемый от компенсации реактивной мощности эффект может оказаться несопоставимо меньше убытков от использования нерегулируемого электропривода.

К другим способам энергосбережения в нерегулируемом электроприводе можно отнести:

снижение продолжительности холостого хода;

переключение обмоток по схеме Y на время холостого хода или малых нагрузок;

изменение типа торможения в электроприводах с частыми пусками и торможениями.

6.4.1. Экономия ЭЭ за счет снижения продолжительности холостого хода двигателей

Ограничение длительности холостого хода АД главного привода производится с помощью автоматических ограничителей – специальных выключателей, которые отключают электродвигатель, если в течение определенного времени отсутствует нагрузка главного привода станка. Следует иметь в виду, что ограничение холостого хода (ХХ) электродвигателей, создавая определенную экономию активной и реактивной энергии, вызывает увеличение числа пусков привода, и рост потерь в нем. Кроме того, вследствие ухудшения условий охлаждения самовентилируемых машин во время пауз в некоторых случаях возможен перегрев двигателя. При частых включениях и отключениях двигателей увеличивается также износ станочной электроаппаратуры [31].

При установке ограничителей холостого хода следует учитывать число технологических циклов в час с допустимым числом включений, гарантируемых заводом-изготовителем для применяемого типа пусковой аппаратуры. Повторные быстрые включения двигателя не допускаются. Кроме того, частые броски тока при пусках могут свести на нет получаемую экономию от сокращения холостых ходов [31].

Основанием для принятия решения об установке ограничителя является сопоставление потерь энергии за время работы двигателя на холостом ходу с потерями энергии, которые будут иметь место при новом включении двигателя в работу. Если потери энергии при пуске двигателя меньше потерь энергии за время его холостого хода, то отключение обеспечит энергосбережение в электроприводе, и наоборот. Получим выражение для определения граничного времени холостого хода, при

75

превышении которого отключение двигателя будет целесообразным с точки зрения энергосбережения.

Равенство потерь энергии при работе на XX и при пуске может быть записано в следующем виде;

циент, учитывающий нагрузку двигателя при расчете потерь энергии при пуске.

Время пуска двигателя при холостом ходе определяется по форму-

ле

где Мср – средний момент двигателя при пуске; Мхх – момент нагруз-

ки при холостом ходе двигателя. Средний момент двигателя при пуске:

Мср (Мпуск2 Мк) ,

где Мпуск, Мк – соответственно пусковой и критический моменты дви-

При пренебрежении моментом нагрузки Мхх ввиду его малости по сравнению с Мср формула упрощается и принимает вид:

76

тивные сопротивления обмоток статора R1 0,219 Ом, приведенное ро-

сти критического к 2,3 и пускового пуск 1,4 моментов.

Решение

1. Находим приведенный к валу двигателя суммарный момент инерции электропривода

Jприв 1,2 0,19 0,23 кг м2 .

2.Моментом нагрузки двигателя на холостом ходу Мхх пренебре-

гаем.

3. Находим для номинального режима полные, переменные и по-

K Рн Vн 2444 1327 1117 Вт. 4. Рассчитываем средний момент двигателя при пуске

Мср (1,4 143 2,3 143) 264,5 Н м. 2

5. Определяем граничное время холостого хода

tхх 0,23 264,5157 0,23 1572 (1 0,0,112219) / (2 1117) 7,6 с.

Таким образом, если время работы электропривода на холостом ходу превышает 7,6 с, то отключение двигателя приведет к экономии электроэнергии в электроприводе и системе электроснабжения.

Для определения целесообразности ограничения продолжительности ХХ двигателя составляют баланс потерь энергии при работе на холостом ходу и при пуске. Как правило, отключение возможно при времени работы двигателя на холостом ходу более 10 с.

6.4.2. Экономия ЭЭ за счет замены незагруженных электродвигателей двигателями меньшей мощности

Большинство приводных двигателей имеют завышенную номинальную мощность по сравнению с той, которая требуется от электропривода для реализации технологического процесса. Коэффициент использования двигателя kн лежит в пределах 0,3–0,5 [31].

77

Кроме того, электроприводы ряда рабочих машин и производственных механизмов часть своего цикла работают с малыми механическими нагрузками или на холостом ходу (например электроприводы обрабатывающих станков, кузнечно-прессового оборудования, подъемнотранспортных механизмов).

В соответствии с существующими зависимостями КПД и коэффициента мощности cos от kн (рис. 6.5) двигатели при недогрузке ра-

ботают с невысокими КПД, а асинхронные двигатели – и с пониженным коэффициентом мощности.

Рис. 6.5_Зависимости КПД (1) и коэффициента мощности (2) от коэффициента нагрузки двигателя

Повышение этих показателей приводит к снижению потерь ЭЭ в электроприводе и системе электроснабжения и может быть достигнуто, например, заменой малозагруженных двигателей двигателями меньшей мощности.

Если средняя нагрузка электродвигателя составляет менее 40% номинальной мощности, то замена его менее мощным электродвигателем всегда целесообразна и проверки расчетами не требует. При нагрузке электродвигателя (ЭД) более 70% номинальной мощности можно считать, что замена его нецелесообразна.

При нагрузке ЭД в пределах 45 70% номинальной мощности целесообразность их замены должна быть подтверждена уменьшением суммарных потерь активной мощности в электрической системе и в электродвигателе. Эти суммарные потери активной мощности могут быть определены по формуле

P' Qхх 1 kн2 kн2 Qн kэ Pхх kн2 Pан,

двигателем из сети при холостом ходе, кВАр; Iхх ток холостого хода

78

ЭД, А; Uн номинальное напряжение ЭД, В; kн P / Pн коэффициент нагрузки ЭД; P средняя нагрузка ЭД, кВт; Pн номинальная мощ-

ность ЭД, кВт; Qн Pн tg н реактивная мощность ЭД при номиналь-

д

ной нагрузке, кВАр; д КПД электродвигателя при полной нагрузке;

tg н производная от номинального коэффициента мощности ЭД; kэ коэффициент повышения потерь (экономический эквивалент реактив-

потери холостого хода в процентах активной мощности, потребляемой двигателем при загрузке 100%.

Пример 6.5. Электродвигатель А92-2 мощностью Pн1 125 кВт ра-

ботает с нагрузкой 70кВт; необходимо проверить рентабельность его замены электродвигателем А82-2 мощностью Pн2 75 кВт. Коэффици-

ент повышения потерь принимаем kэ 0,1кВт/кВАр. Параметры двига-

Qxx1 3 380 71 10 3 46,6 кВАр; Qн1 0,92125 0,426 58 кВАр;

kн1 P 70 0,56; Pн1 125

79

В результате замены незагруженного двигателя на двигатель меньшей мощности в случае его работы в течение периода Т = 5000ч. и тарифе на ЭЭ T (1) 3 руб./кВт ч получим экономию

Э ( Pсум' 1 Pсум' 2) T T (1) (9 8) 5000 3 15000 руб.

Замена незагруженных ЭД, даже если она оправданна расчетом, может производиться только после тщательной проверки возможности их полной загрузки за счет правильного использования приводимых ими рабочих машин. Это мероприятие оправданно в тех случаях, когда двигатель выбран неправильно и завышен по мощности по сравнению с рабочей машиной. Установка двигателя пониженной мощности как бы узаконивает недостаточное использование рабочей машины и в перспективе может служить препятствием для полного использования ее при соответствующем усовершенствовании технологического процесса.

6.5. Коэффициент мощности и его технико экономическое значение

В соответствии с [12] устанавливаются требования к расчету значений соотношения потребления активной и реактивной мощности, определяемых при заключении договоров об оказании услуг по передаче электрической энергии (договоры энергоснабжения) в отношении по-

80