Содержани простой электропривод
 Скачать 1.04 Mb.
|
|
З А МЕТКИ. Использование синхронной машины как компенсатора реактивной мощности Работа системы электроснабжения характеризуется потреблением электроприемниками реактивной мощности. Это вызывает: дополнительные потери энергии в системе; снижение уровня напряжения и необходимость иметь повышенную пропускную способность подстанций и распределительных сетей, что снижает экономичность работы системы. В связи с этим необходимо производить компенсацию реактивной мощности. Одним из эффективных способов компенсации является использование синхронной машины, которая за счет регулирования тока возбуждения может осуществлять генерацию реактивной мощности в электрическую сеть. В этом случае СД работает с опережающим Возможность работы СД в качестве источника (компенсатора) реактивной мощности иллюстрируют V – образные характеристики (см. рисунок, которые представляют собой зависимости тока статора двигателя и его оттока возбуждения в при Фи. Зависимости тока в) имеют минимум, которому соответствует максимум коэффициента мощности cos =1, что объясняется с помощью векторной диаграммы СД. При небольших токах возбуждения ток статора отстает от напряжения U Ф на угол, что соответствует работе СД с отстающими потреблению им реактивной мощности из питающей сети. Активная составляющая полного тока I 1а =I 1 cos совпадает по направлению с вектором напряжения сети фа реактивная составляющая р отстает от него на 90°, что и определяет потребление реактивной мощности. Пусть СД работает при постоянной нагрузке и потребляет из сети активную мощность, н I 1 , (I В ) P н cosφ = 1 P x cosφ P x I В I В н 1,0 I 1 н 0,75 0,5 РФ U Ф I 1а Из выражения следует, что при P 1 = const и тока const. Поэтому при увеличении тока возбуждения СД конец вектора полного тока будет перемещаться вверх по штриховой вертикальной линии, что означает уменьшение реактивной составляющей тока. При некотором токе возбуждения, близком к номинальному, реактивная составляющая тока станет равной нулю, т.е. ток статора будет равен активной составляющей а. Этому режиму соответствует точка минимума кривых токов в) и максимально возможное значение ЗАМЕТКИ При дальнейшем увеличении тока возбуждения (перевозбуждение СД) вновь появится реактивная составляющая токарно уже опережающая напряжение сети на 90°. Ток статора также будет опережать напряжение сети и СД будет работать с опережающим cos , отдавая реактивную энергию в питающую сеть. На рисунке показаны зависимости при двух уровнях нагрузки – номинальной (Р н ) и при холостом ходе (Р х ). Область характеристик справа от штрихпунктирной линии cos =1 соответствует работе СД с опережающим cos , а слева – с отстающим. Из рисунка видно, что с ростом мощности нагрузки область генерации реактивной мощности (опережающего cos ) смещается в сторону больших токов возбуждения. Таким образом, если СД работает с переменной нагрузкой навалу, то для полного использования его компенсирующих свойств требуется соответствующее изменение его тока возбуждения, что ведет к увеличению габаритной мощности двигателя. Отдаваемая или потребляемая реактивная мощность СД Q = 3 U ф I 1 sin Отношение полной (габаритной) мощности к активной 2 2 Пусть требуемая реактивная опережающая мощность составляет 40% активной мощности, те = 0,4. Расчет по формуле показывает, что при этом отношение составит 1,08, т.е. генерирование указанной реактивной мощности потребует увеличения габаритной мощности только на ЗАМЕТКИ. Потери энергии в переходных процессах В переходных режимах протекающие по обмоткам двигателя токи существенно превышают номинальные значения и вызывают повышенные потери энергии, те. дополнительный нагрев двигателя. Особенно большое значение определения потерь электроэнергии в переходных процессах имеет для электроприводов, у которых динамический режим является основным или занимает заметное время в течение цикла (электропривода прокатных станов, подъёмных кранов, шахтных подъёмных машин. Потери энергии за время переходного процесса 2 кон 2 нач 0 где S – относительный перепад скорости. Определим потери энергии припуске, реверсе и торможении двигателей. Припуске двигателей вхолостую ( ,1 нач s 0 кон s ) потери энергии равны запасу кинетической энергии, которая будет запасена к концу пуска в движущихся частях электропривода 2 п O J W При динамическом торможении (нач , кон весь запас кинетической энергии превращается в потери энергии, выделяемые в двигателе в виде тепла 2 ω 2 дт O J W При противовключении (нач , кон) потери энергии равны тройному запасу кинетической энергии электропривода 4 ( 2 ω 2 0 2 0 J J W пв Потери энергии при реверсе ( s нач, s кон =0 ) равны сумме потерь при торможении противовключением и пуске 2 ω 4 р 0 J W Существует два основных способа снижения потерь электроэнергии в переходных процессах: уменьшение момента инерции электропривода; регулирование скорости холостого хода в переходных процессах. З А МЕТКИ Уменьшить момент инерции привода можно следующими способами: применением малоинерционных электродвигателей, имеющих пониженный момент инерции якоря или ротора (увеличена длина якоря и уменьшен диаметр); рациональным конструированием механической передачи выбором оптимального передаточного числа редуктора, рациональных размеров и форм элементов механической передачи и конструкционных материалов); заменой одного двигателя двумя, имеющими половинную мощность заменяемого двигателя (суммарный момент инерции меньше момента инерции одного двигателя на полную мощность. Например, два двигателя типа 4АН200 мощностью по 45 кВт имеют суммарный момент инерции 2x1,38=2,76 кг·м 2 . Двигатель АН мощностью 90 кВт на туже скорость имеет момент инерции 3,53 кг·м 2 , что почти на 30% больше. Наиболее эффективным средством снижения потерь является реализация управляемых переходных процессов. Рассмотрим самый простой способ управления пуском, когда скорость идеального холостого хода задается в два этапа. Такой пуск возможен при использовании двухскоростного АД. Потери энергии в роторе АД при прямом пуске на характеристику II с учетом s нач =1, кон 0 2 кон 2 нач 2 0 п J s s J W Потери энергии при ступенчатом пуске при разгоне по характеристике I первая ступень пуска) с учетом s нач =1, кон 0 8 ω 2 1 2 ω 2 0 2 Потери энергии при разгоне по характеристике вторая ступень пуска) с учетом s нач =0,5, кон 8 ω 5 , 0 2 ω 2 0 2 Суммарные потери при двухступенчатом пуске Потери сократились вдвое по сравнению спуском в одну ступень. Кроме того, снижение потерь энергии в роторе вызывает снижение потерь в статоре АД. Если скорость идеального холостого хода в переходном процессе имеет n ступеней регулирования, потери энергии в роторе уменьшаются враз 0 п , где о - максимальная скорость идеального холостого хода, соответствующая последней ступени. При плавном задании скорости идеального холостого хода потери снижаются в 2T м /t пп раз. Чем медленнее разгон, тем меньше момент, потери мощности, суммарные потери за время пуска. Однако это справедливо при отсутствии потерь, связанных с наличием статической нагрузки, которые увеличиваются с ростом времени пуска. З А МЕТКИ. ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК 5.1. Вентиляторные установки Суммарная установленная мощность приводных двигателей вентиляторов, компрессоров, насосов составляет около 20% от мощности всех электростанций СНГ при этом только вентиляторы потребляют около 10% от всей энергии, вырабатываемой в содружестве. Установки c вентиляторным характером нагрузки подразделяются на лопастные и объемные в зависимости от их конструкции. Особенностью лопастных машин является наличие вращающегося колеса с лопастями. Лопастные установки подразделяются на центробежные, осевые и вихревые. В качестве привода турбомеханизмов небольшой мощности используются асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, при средней - большой мощности – синхронные. Особенностью объемных машин является изменение объема рабочей полости. К таким установкам относятся поршневые и роторные. Наиболее широкое распространение получили центробежные вентиляторы с подачей до 6000м 3 /мин и осевые вентиляторы с подачей 50 - 100м 3 /мин. Большинство мощных вентиляторных установок (горные предприятия) имеют КПД значительно ниже нормы (0,6, а в некоторых Фактически удельный расход мощности в раза превышает допустимую величину, а общая стоимость перерасхода электроэнергии приводами главных вентиляторов составляет четвертую часть расхода электроэнергии всеми установками за год. Вентиляторы эксплуатируется вне зоны экономичной работы, те. режим работы установок не соответствует параметрам вентиляционных сетей (несоответствие фактических значений эквивалентных отверстий их проектным значениям; наличие больших подсосов воздуха оборудование вентиляторов нерегулируемым приводом и т.д.). Причиной низких энергетических показателей вентиляторов являются: TACIS EUK9701/M/15/56 ТИПИЧНАЯ ВЕНТИЛЯЦИОННАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ТИПИЧНАЯ ВЕНТИЛЯТОРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА 0 Давление Подача Характеристика системы Рабочая точка Характеристика вентилятора - фиксированная скорость Увеличение скорости Уменьшение скорости Увеличение сопротивления Уменьшение сопротивления переменное аэродинамическое сопротивление сети . Вентилятор выбирается на максимальные значения производительности и давления, которые достигаются только через несколько лет работы; отличие реальных величин параметров вентиляции протяженность и сечение выработок, утечки воздуха и др) от расчетных приводит к тому, что фактический режим работы вентилятора значительно отличается от расчетного; изменение величины естественной тяги повремени года, а иногда ив течение суток в зависимости от температуры воздуха. Пути повышения эффективности работы в вентиляторных установках согласование режима работы вентилятора с характеристикой вентиляционной сети, повышение КПД вентиляционной сети, повышение эксплуатационного КПД вентиляторных установок; регулирование производительности вентиляторных установок. З А МЕТКИ Рабочая точка вентилятора определяется как рабочая точка пересечения напорной характеристики вентилятора с характеристикой вентиляционной сети. Она должна лежать на устойчивой части характеристики вентилятора и быть по возможности ближе к точке, соответствующей максимальному КПД вентилятора. Если имеет место неэффективная работа вентилятора, то рабочую точку можно переместить в зону экономической работы как с помощью изменения рабочих параметров вентилятора, таки изменением характеристики вентиляционной сети. Повышение КПД вентиляционной сети обеспечивается за счёт снижения подсосов (утечек) воздуха через каналы вентилятора и снижением сопротивления (депрессии) вентиляционной сети. Мощность, потребляемая из сети двигателем вентиляторной установки д в 3 10 HQ P , кВт. Так, если подается Q = мс воздуха при η в =0,65, η д =0,85 и за счет реконструкции вентиляционной сети снизить депрессию на Па, то получим годовую экономию (за Т в =8760ч работы вентилятора 10 /(0,65∙0,85)≈1270, тыс.кВт ч/год. Повышение эксплуатационного КПД вентиляторных установок достигается: устранением работы осевого вентилятора с перевернутым колесом; обеспечением нормативных зазоров рабочего колеса; наличием обтекателя перед входом рабочего колеса осевого вентилятора; обеспечением нормативных параметров диффузора на выходе осевого вентилятора; точной установкой лопаток направляющего аппарата. Регулирование производительности турбомеханизмов может осуществляться аэродинамическим путем, заключающимся в воздействии на характеристики проточной части (дросселированием или установкой угла атаки лопастей направляющего аппарата). Способ связан с существенным снижением КПД; включением и отключением нескольких агрегатов в случае, если работает группа электроприводов; изменением скорости вращения с помощью регулируемого электропривода. Это обеспечивает практически неизменный высокий КПД при существенном увеличении капитальных затрат. Аэродинамическое регулирование осуществляется следующими методами дросселированием; поворотом лопаток направляющего аппарата; поворотом лопаток рабочего колеса (для осевых вентиляторов) или поворотом закрылок (для центробежных вентиляторов). Первый способ редко применяется из-за низкой экономичности. Наиболее распространено регулирование направляющим аппаратом. Ноу такого метода малая глубина экономичного регулирования. Также появляются пульсации потока и чрезмерные вибрации. Более экономичным способом является третий, но из-за сложности и ненадежности конструкции применяется мало. Второй вариант регулирования имеет ограничения - по числу пусков нерегулируемых электроприводов из-за опасности выхода из строя электрических машин, с одной стороны, и по числу пусков для технологического механизма ввиду экстремальных технологических нагрузок впускаемом агрегате при прямом неуправляемом пуске, с другой. Анализ показывает, что при плавном управляемом пуске практически выполняются два приведенных условия. Применительно к приводам переменного тока как вариант схемы управляемого пуска может служить схема с тиристорным регулятором напряжения (ТРН) вцепи статора. Стоимость таких устройств ниже стоимости систем частотно- регулируемого электропривода. Применение пусковых систем повышает время наработки на отказ двигателей в несколько раз, рабочих колес на - 75 % и др. З А МЕТКИ Наиболее перспективным является регулирование изменением скорости вращения рабочего колеса. Законы эксплуатации турбомашин формулируются: с изменением частоты вращения рабочего колеса турбомашины при постоянной характеристике внешней сети подача (производительность) изменяется пропорционально первой степени, напор - пропорционально квадрату, а потребляемая мощность - пропорционально кубу частоты вращения H 1 =H(n 1 /n) 2 ; Области экономичной работы центробежных и осевых вентиляторов в зависимости от способа регулирования представлены на рисунке ( 1 – ВЦД- 3,5 и 2 – ВЦД-32 – регулирование направляющим аппаратом – ВОД - регулирование направляющим аппаратом и поворотом лопаток колеса 4 – ВЦД-32 – регулирование скорости вращения с помощью регулируемого электропривода. Из рисунка видно, что наибольшая зона экономичной работы у центробежного вентилятора с регулированием скорости. Анализ кривых Р) показывает, что наиболее экономичным способом регулирования производительности вентиляторов главного проветривания является регулирование посредством изменения скорости вращения, наименее экономичное – дроссельное регулирование. Расчеты показывают, что регулируемый привод позволяет сократить расход потребляемой электроэнергии (до 40%). Более половины этого экономится за счет сокращения потребления в нерабочие дни, когда производительность вентилятора может быть значительно уменьшена. Система электропривода с регулированием скорости. Регулировка угла наклона лопаток направляющего аппарата 3. Регулировка заслонк 4. Гидравлическая/индукционная муфта. Регулировка угла наклона лопаток рабочего колеса вентилятора (только осевые. Регулирование с дисковым дросселем (только центробежные) Мощность (%) СРАВНЕНИЕ ТРЕБОВАНИЙ К МОЩНОСТИ ВЕНТИЛЯТОРА 3 2 6 4 5 1 Подача (К достоинствам способа регулирования частоты вращения относятся высокая экономичность работы постоянный КПД вентилятора при регулировании с постоянным эквивалентным отверстием простота конструкции вентилятора за счет исключения направляющего и поворотного устройств увеличение области экономичной работы и снижение энергопотребления. Применение регулируемого электропривода дополнительно дает: уменьшение числа типоразмеров вентиляторов, повышение серийности и снижение стоимости вентилятора; увеличение срока службы вентилятора за счет работы в облегченных режимах при пониженной скорости вращения; снижение затратна производство, передачу и распределение электроэнергии, которое обусловлено сокращением ее потребления почтив два раза. Дополнительно новая технология энергосбережения в вентиляторных установках с большой суммарной мощностью позволяет регулировать мощность в часы максимума нагрузки и тем самым сократить затраты на электроэнергию при двухставочном тарифе. З А МЕТКИ. Насосные установки Насосные агрегаты можно условно разделить натри большие группы мощные (более 500кВт) агрегаты энергетических объектов промышленные агрегаты и насосные станции централизованного водоснабжения (кВт массовые установки (2-50кВт), к которым относятся насосы с подачей 12-100м 3 /ч и напором 20-80м.в.ст. В первой группе в силу ее специфики применяются прогрессивные виды электропривода. Во второй и особенно в третей, наиболее массовой, до настоящего времени преобладает нерегулируемый электропривод с асинхронными короткозамкнутыми двигателями, а управление производительностью осуществляется крайне неэффективным способом- дросселированием. Это не позволяет обеспечить режим рационального энергопотребления и расхода воды, пара, воздуха и т.д. при изменении технологических потребностей в широких пределах. Характерным примером таких механизмов являются насосные станции холодного и горячего водоснабжения и систем отопления жилых и промышленных зданий. Выбранные, исходя из максимальной производительности, эти механизмы значительную часть времени работают с меньшей производительностью. По некоторым данным среднесуточная загрузка насосов холодного водоснабжения составляет всего максимальной. Существующие системы водоснабжения не обеспечивают заметного снижения потребляемой мощности приуменьшении расхода, а также обусловливают существенный рост давления (напора) в системе, что приводит к утечкам воды и неблагоприятно сказывается на работе технологического оборудования и сетей водоснабжения. Пути повышения эффективности работы насосных установок повышение КПД насосов и трубопроводов; регулирование производительности установки упорядочение графика нагрузок установки организационные мероприятия. Повышение КПД насосов обеспечивается за счёт тщательной балансировки рабочих колес, регулярной заменой уплотнителей, обеспечения рабочей точки насосав зоне максимальных значений КПД. Повышение КПД трубопровода может быть за счёт: увеличения сечения труб; включение на параллельную работу резервного нагнетательного става; сокращение длины трубопровода; регулярная очистка трубопровода; ликвидация в трубопроводе излишней арматуры и ненужных поворотов или снижение их сопротивления сглаживанием острых углов; использование арматуры с меньшими значениями коэффициента местного сопротивления (например, замена в приемных устройствах на всасывающих трубопроводах тарельчатых клапанов на шаровые). Расход электроэнергии насосной установкой в год д тр нс, кВт∙ч/год, где T – число часов работы насосав год, ч/год; η р – КПД трубопровода. Традиционные способы регулирования подачи насосных установок состоят в дросселировании напорных линий насосов и изменении общего числа работающих агрегатов по одному из технологических параметров - давлению на коллекторе или в диктующей точке сети, уровню в приемном или регулирующем резервуаре и др. Эти способы регулирования направлены на решение технологических задачи практически не учитывают энергетических аспектов транспорта воды. При таком регулировании от 5 до 15%, а в отдельных случаях до 25-30% потребляемой электроэнергии затрачивается нерационально из-за: потерь энергии в дросселирующем органе; создания избыточных напоров в трубопроводной сети; утечек и непроизводительных расходов воды в сети и у потребителя; увеличения геометрического подъема при откачке воды из резервуаров канализационных насосных станций и т.д. |