ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ / Energosberezhenie_2005

150

Ниже рассмотрены методы расчета ожидаемой экономии энер-

гии.

Потери активной мощности в линиях и сетях определяются их технологическими параметрами и током нагрузки, кВт,

∆Pл = 1,1nρI2л lл10-3/sл ,

где 1,1 – коэффициент, учитывающий сопротивление переходных контактов, скрутку жил и способ прокладки линий;

п – число фаз линий;

lл – длина линий, м;

sn – сечение провода, мм2;

ρ – удельное сопротивление материала провода при 20 °С; Iл – среднее значение тока нагрузки, А.

Экономия электроэнергии в сети при переводе ее на более высокое напряжение, кВт·ч,

где lс – длина участка сети, на котором производится повышение номинального напряжения, м;

I1, I2 – средние значения токов в каждом проводе сети соответственно при НН и ВН, А;

s1, s2 – сечения проводов сети при НН и ВН, мм2 (при проведении мероприятий без замены проводов s1 = s2), tp – расчетный период времени, ч.

При проведении реконструкции сетей (замене сечения проводов, их материала, сокращении длины без изменения напряжения) экономия электроэнергии, кВт·ч, составит

где I – среднеквадратичное значение тока нагрузки одной фазы, А; l1, ρ1 s1 и l2, ρ2, s2 – длина, м, удельное сопротивление материала,

Ом·мм2/м, сечение, мм2, данного участка сети до и после реконструкции соответственно.

151

Известно, что потери электроэнергии в сетях пропорциональны активному сопротивлению проводов. Следовательно, при включении под нагрузку резервной линии потери электроэнергии снизятся в 2 раза, если длина, сечение проводов и нагрузка основной и резервной линий равны, а схемы одинаковы.

Замена двигателя на менее мощный экономически целесооб-

разна, если средняя загрузка двигателя составляет менее 45 % от номинальной мощности. При загрузке двигателя более 70 % от номинальной мощности его замена нецелесообразна.

При нагрузке электродвигателя в пределах 45…70 % от номинальной мощности целесообразность его замены двигателем меньшей мощности должна быть обоснована. С этой целью определяют суммарные потери активной мощности в системе электроснабжения и в электродвигателе до замены ∆P∑1 и после замены ∆P∑2 двигателя. Если окажется, что ∆P∑2 < ∆P∑1, то такая замена целесообразна.

∆P∑ = [Qx (1 – k2з ) + k2з Qд.ном] kи.п + ∆Px + k2з∆Pа.н

где Qx = √3Uд.номIx – реактивная мощность, потребляемая электродвигателем из сети при холостом ходе, квар;

Iх – ток холостого хода двигателя, A;

Uд.ном – номинальное напряжение двигателя, В; kз = P/Pд.ном – коэффициент загрузки двигателя; Р – средняя нагрузка двигателя, кВт; Рд.ном – номинальная мощность двигателя, кВт;

Qд.ном = Pд.ном tgφном/ηд – реактивная мощность двигателя при номинальной нагрузке, квар;

ηд – КПД двигателя при полной нагрузке;

tg φном – номинальный коэффициент реактивной мощности двигателя;

kи.п – коэффициент изменения потерь, кВт/квар;

теле при номинальной нагрузке, кВт;

152

γ = ∆Px/∆Pа.н – расчетный коэффициент, зависящий от конструкции двигателя и определяемый из выражения

γ = ∆Px %/[(100 - ηд %) - ∆Px %];

∆Px % – потери активной мощности холостого хода, потребляемой двигателем при номинальной нагрузке (в процентах).

Снижение потребления реактивной мощности позволяет сни-

зить потери на всех участках передачи электрической энергии к потребителю (генераторы, трансформаторы, распределительные и питающие сети).

Реактивная мощность потребляется как электроприемниками, так и элементами сети. Реактивная мощность, потребляемая промышленным предприятием, распределяется между ее отдельными видами приемников электроэнергии следующим образом: 65 % приходится на асинхронные двигатели (АД), 20…25 % на силовые трансформаторы и около 10 % на воздушные электрические сети и другие электроприемники (люминесцентные лампы, реакторы и т.п.).

При передаче потребителям активной Р и реактивной Q мощностей в системе электроснабжения наблюдаются потери активной мощности:

∆Р = 3I2R = (S2/U2)R = [(P2+Q2)/U2] R = =(P2/U2) R + (Q2/U2) R = ∆Pa + ∆Pp,

где ∆Ра и ∆Рp – потери активной мощности при передаче активной и реактивной мощностей соответственно.

Кроме того, передача реактивной мощности по сети снижает пропускную способность всех элементов системы электроснабжения.

Как видно из последнего выражения, потери активной мощности пропорциональны квадрату реактивной мощности и при снижении реактивной мощности эти потери уменьшаются. Снижение реактивной мощности, циркулирующей между источником тока и приемником, а следовательно, снижение реактивного тока в генераторах и сетях называют компенсацией реактивной мощности (КРМ).

Снизить потребление реактивной мощности, а следовательно, и потери активной мощности, можно двумя способами: без использования и с использованием компенсирующих устройств (КУ).

153

К первому способу относятся следующие мероприятия:

−упорядочение технологического процесса, ведущее к улучшению энергетического режима работы оборудования, повышению коэффициента мощности cos φ;

−переключение статорных обмоток АД напряжением до 1 кВ с треугольника на звезду, если их загрузка составляет менее

40 %;

−установка ограничителей холостого хода АД;

−замена или отключение силовых трансформаторов, загруженных менее чем на 30 % от номинальной мощности;

−замена малозагруженных двигателей двигателями меньшей мощности;

−замена АД на синхронные двигатели (СД) той же мощности и использование этих двигателей для всех новых установок и при реконструкции существующих, где это возможно по тех- нико-экономическим соображениям;

−регулирование напряжения, подводимого к двигателю при тиристорном управлении;

−повышение качества ремонта двигателей с сохранением их номинальных данных;

−правильный выбор электродвигателей по мощности и по типу. Мощность электродвигателей необходимо выбирать в соответ-

ствии с режимом производственного оборудования, без излишних запасов.

При равных условиях (одинаковой мощности, частоте вращения и типе исполнения) АД с короткозамкнутым ротором имеет лучшие энергетические характеристики, чем АД с фазным ротором.

АД работает с лучшими энергетическими показателями при нагрузках 0,7…1,0 от своей номинальной мощности. Лучшими энергетическими показателями обладают электродвигатели открытого или защищенного типа, чем электродвигатели закрытого типа той же мощности и частоты вращения. Опыт эксплуатации показывает, что для двигателей, загруженных на 25 %, при переключении обмотки статора с треугольника на звезду cos φ двигателя становится приблизительно равным номинальному.

При замене АД на СД исходят из следующих преимуществ СД:

−возможности использования их в качестве КУ, так как при работе СД с опережающим cos φ полная мощность СД, опреде-

154

ляющая его стоимость, растет в гораздо меньшей степени, чем его компенсирующая способность:

−меньшей зависимости вращающего момента Мвр от колебаний напряжения; для СД Мвр ≡ U, а для АД Mвр ≡ U2;

−более высокой производительности технологического агрегата при СД, так как частота вращения СД не зависит от нагрузки на его валу;

−меньших потерь активной мощности, поэтому КПДСД > КПДAД.

При реконструкции действующего производства рациональным может оказаться использование СД вместо АД той же мощности в совокупности с компенсирующим устройством. Выбор варианта производится по результатам технико-экономических расчетов. При замене малозагруженного электродвигателя электродвигателем меньшей мощности следует обратить внимание на то, чтобы эта замена через некоторое время не оказалась препятствием для рационального использования и повышения загрузки рабочей машины.

В случае невозможности замены малозагруженного АД целесообразным может оказаться снижение напряжения на его зажимах до допустимого минимального значения, что приводит к уменьшению потребления АД реактивной мощности за счет уменьшения тока намагничивания. При этом увеличивается КПД двигателя. Снизить напряжение у малозагруженных АД можно следующим образом:

-переключением статорной обмотки с треугольника на звезду;

-секционированием статорных обмоток;

-переключением ответвлений цехового трансформатора, пи-

тающего АД.

Последний способ возможен только в том случае, когда данный трансформатор не питает одновременно другие электроприемники, не допускающие снижения напряжения. От качества ремонта электродвигателей зависит надежность их последующей работы, высокие энергетические показатели. Поэтому совершенно недопустимым являются обточка ротора, уменьшение числа проводников в пазу при перемотке электродвигателя, расточка пазов, выжигание обмотки. Особое внимание необходимо уделить тому, чтобы ток холостого хода после ремонта двигателя не превысил его номинальный ток.

155

Все сказанное направлено на уменьшение реактивного тока электродвигателей, а следовательно, на снижение потерь электроэнергии.

Ко второму способу относятся мероприятия:

-использование в качестве КУ батарей конденсаторов;

-использование в качестве КУ синхронных двигателей;

-использование статических компенсаторов реактивной мощно-

сти и мощности искажений.

Следует учитывать, что компенсация реактивной мощности в системах электроснабжения приводит к повышению напряжения у электроприемников.

Наибольшее распространение на промышленных предприятиях в качестве КУ получили батареи конденсаторов. Их основные достоинства:

-малые потери активной мощности (0,3…45 кВт на 100 квар);

-отсутствие вращающихся частей и их малая масса (нет необходимости в фундаменте);

-простая и дешевая эксплуатация по сравнению с другими КУ;

-возможность изменения их мощности при необходимости;

-возможность установки в любой точке сети.

Вустановках напряжением до 1 кВ конденсаторы включаются в сеть и отключаются от сети с помощью автоматических выключателей (автоматов) или рубильников.

Вустановках напряжением выше 1 кВ для включения и отключения конденсаторов служат высоковольтные выключатели или выключатели нагрузки.

Для безопасности обслуживания отключенных конденсаторов при снятии электрического заряда используют разрядные сопротивления.

Всистемах промышленного электроснабжения используются, как правило, комплектные конденсаторные установки.

Основными недостатками конденсаторных батарей являются:

-зависимость генерируемой реактивной мощности QКБ от напряжения и частоты

QКБ = QКБномk2U k2f ,

156

где kU, kf – отношения напряжений при отклонении напряжения и частоты сети от номинального значения к напряжению в номинальном режиме;

-высокая чувствительность конденсаторных батарей к наличию высших гармоник тока и напряжения;

-недостаточная электрическая прочность.

Зависимость мощности конденсаторной батареи от квадрата напряжения снижает устойчивость нагрузки и может привести к лавине напряжения. Наличие высших гармоник тока и напряжения в сети может привести к пробою конденсаторных батарей.

Синхронные двигатели широко используются для привода насосов, вентиляторов, компрессоров и т.д. Такие СД выпускаются с номинальным опережающим cos φ, равным 0,9, и могут длительно работать в режиме перевозбуждения, т.е. генерации реактивной мощности. Характер и значение реактивной мощности СД определяются током возбуждения в обмотке его ротора. В режиме перевозбуждения СД представляет собой активную и емкостную нагрузки, т.е. работает не только как двигатель, но и как источник реактивной мощности. В случае, если СД предназначен для нормальной работы в режиме перевозбуждения, т.е. с опережающим cos φ, то он даже при 100 %-й загрузке активным током может компенсировать реактивную нагрузку сети. Номинальный ток возбуждения при данной нагрузке на валу СД и данном напряжении на его зажимах обеспечивает наибольшую компенсирующую способность СД. Компенсирующая способность СД характеризуется отношением реактивной мощности, отдаваемой СД в сеть (квар), к полной мощности СД (кВ·А). Ее не следует повышать на длительное время путем увеличения тока возбуждения сверх номинального значения во избежание перегрева ротора. Единственно возможным путем увеличения компенсирующей способности СД является снижение активной нагрузки СД при неизменном токе возбуждения, равном номинальному.

Использование СД только для компенсации реактивной мощности в сети нецелесообразно, так как они не могут выдать реактивную мощность, равную их полной номинальной мощности; при этом предельная реактивная мощность ненагруженного СД составляет в зависимости от его конструкции только 60…80 % от его полной номинальной мощности.

157

Достоинством СД как источника реактивной мощности является возможность плавного регулирования выдаваемой им реактивной мощности.

В сетях 0,38-10 кВ следует в первую очередь для компенсации реактивной мощности использовать работающие СД, а затем дополнительно, если необходимо, и батареи конденсаторов.

Компенсация реактивной мощности у потребителей позволяет:

-снизить ток в передающих элементах сети, что приводит к уменьшению сечения кабельных и воздушных линий;

-уменьшить полную мощность, что снижает мощность трансформаторов и их число;

-уменьшить потери активной мощности, а следовательно, и мощности генераторов на электростанциях.

Импульсно-модуляционные преобразователи с двойной модуляцией могут по аналогии с конденсаторными компенсирующими устройствами и СД использоваться как статические компенсаторы

реактивной мощности и, кроме того, как компенсаторы мощно-

сти искажений. Такого рода функциональные возможности модуляционных методов преобразования параметров электрической энергии принято называть активной коррекцией коэффициента мощности КМ, который определяется произведением коэффициента искажений KИ на косинус угла сдвига первой гармоники тока относительно напряжения:

KМ = KИ·cosφ,

где KИ=IЭФФ1/IЭФФ определяется отношением эффективного значения первой гармоники IЭФФ1 несинусоидального тока к его эффективному

значению IЭФФ.

Как правило, искажения тока в сети связаны с наличием нелинейной нагрузки, например мощных управляемых или неуправляемых выпрямителей и т.п. Компенсация мощности искажений сводится в этом случае к восстановлению (активной фильтрации) синусоидальной формы потребляемого тока, совпадающего по фазе с напряжением сети. Корректоры коэффициента мощности включаются также параллельно источнику несинусоидальных токов Ζнj (рис.6.3).

158

а)

б)

Рис.6.3. Структура корректора коэффициента мощности с емкостным (а) и индуктивным (б) накопителями энергии

Для создания самостоятельного статического компенсатора реактивной мощности и мощности искажений требуется всего один полупроводниковый импульсно-модуляционный преобразователь М1 и суммирующий узел Σ. При подключении модуляционного преобразователя М1 к питающей сети через фильтрующие реакторы Lвхj (рис.6.3,а), в качестве накопителя энергии используются электролитические или неполярные конденсаторы С, подключаемые к его выходу. Если М1 представляет собой автономный инвертор напряжения (рис.6.3,б), в качестве накопителя необходимо использовать индуктивность L, которая с точки зрения эксплуатационных свойств характеризуется исключительно высокой надежностью. Конденсаторы Свхj выполняют здесь функцию фильтрации высокочастотных гармоник тока, определяемых частотой коммутации ключевых элементов преобразователя М1.

159

Пусть сопротивление нагрузки Ζнj линейно и имеет активноиндуктивный характер, тогда ток нагрузки смещен по фазе относительно напряжения на угол θ

Iнj =I∑ sin(ωt+ϕj +θ)

и содержит активную и реактивную составляющие

Imja= I∑ sin(ωt+ϕj +θ)cosθ,

Imjр= I∑ sin(ωt+ϕj +θ)sinθ.

Для компенсации реактивной составляющей тока необходима генерация в питающую сеть реактивной мощности (тока с соответствующим фазовым сдвигом). Достигается такая генерация формированием системы модулирующих напряжений М1 с опережающим или отстающим фазовым сдвигом θj по отношению к соответствующей фазе питающей сети

Uуj = sin (ωt+ϕj ±θj ).

Напряжение в звене постоянного тока при этом будет определяться суммой модулированных напряжений всех фаз, каждое из которых равно произведению напряжения сети Umj = sin (ωt+ϕj) на соответствующее модулирующее воздействие Uуj:

UΣ = Um[sin ωt sin (ωt -θ) + sin (ωt+2π/3 ) sin (ωt+2π/3 -θ)+

+ sin (ωt+4π/3 ) sin (ωt+4π/3 -θ)]=1,5 Um cosθ.

Под действием этого напряжения в накопителе L протекает постоянный ток Imk = const. Ток потребляемый j-й фазой компенсатора будет определяться произведением IΣ на соответствующую модулирующую функцию МФ(t)j

Iкj = Imk sin (ωt+φj -θ).