Способы улучшения энергетических показателей потребителей электроэнергии на собственные нужды электростанции Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Електричні станції

УДК 621.317

Г.К. Вороновский, ИЗ. Орловский, Е.Е. Гончарова

СПОСОБЫ УЛУЧШЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ НА СОБСТВЕННЫЕ НУЖДЫ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

Порівняльний аналіз енергетичних показників перегульовапих і частотнокерованих синхронних двигунів показав, що використання частотнокерованих двигунів у приводах зі змінним навантаженням на валу дозволяє істотно підвищити енергетичну ефективність асинхронних двигунів, як основних споживачів електроенергії па власні потреби електростанцій

Сравнительный анализ энергетических показателей нерегулируемых и частотноуправляемых асинхронных двигате-, -ет существенно повысить энергетическую эффективность асинхронных двигателей, как основных потребителей электроэнергии на собственные нужды электростанций

Основными потребителями электроэнергии на собственные нужды электростанций являются асинхронные двигатели, используемые для привода вентиляторов, насосов холодной и горячей воды. Характерной особенность их работы является неравномер-,

причинами производства электрической энергии на . -минальной приводит к ухудшению энергетических показателей асинхронных двигателей: коэффициента полезного действия (КПД) и коэффициента мощности совф. По данным [1] уменьшение нагрузки в 2 раза приводит к снижению КПД на 3-4 % и совф на 20-22 %; при уменьшении нагрузки в 4 раза снижение составляет 13-16 % и 37-45 % соответственно.

В настоящее время разработан ряд мероприятий по улучшению энергетических показателей асинхронных двигателей при их нагрузках ниже номи-:

1. ( -

).

2. .

3. -

стом ходу с помощью автоматических ограничителей.

4.

меньшей номинальной мощности.

, , обеспечивающим улучшение рабочих свойств асин, -

,

двигателей на частотноуправляемые, питаемые от статических преобразователей частоты. Наиболее эффективна такая замена в приводах с вентиляторной

,

относятся центробежные насосы, вентиляторы, воздуходувки и т.п. Использование приводов на базе частотноуправляемых асинхронных двигателей существенно снижает потребление электроэнергии на собст-, -рудования и трубопроводов за счет отсутствия больших пусковых токов и гидравлических ударов. Уста,

дутьевого вентилятора на частотноуправляемый привод, экономия электроэнергии составляет 50 %, окупаемость - 12 месяцев работы.

В статье предлагается методика расчета энергетических показателей частотноуправляемых асин.

При вентиляторном характере нагрузки используется квадратичный закон регулирования [2] (регулирование "вниз" от номинальной частоты вращения):

иы = (1//1Н ), (1)

или в относительных единицах: у = а , где у = и1 / П1и - относительное напряжение; а = / / /1н - коэффици-.

Тогда приложенное к двигателю напряжение изменяется в процессе регулирования по закону:

и = иы -у= иы а2. (2)

При регулировании по этому закону коэффици-,

двигателя остаются постоянными при уменьшении частоты питания вплоть до половины номинальной. Энергетические показатели определяются в ходе расчета рабочих характеристик двигателя. Основные со, -

теристик могут быть получены с использованием Т-образной схемы замещения [2], однако, в этом случае не учитывается активное сопротивление ветви намагничивания, т.е. активная составляющая тока , , -етика намагничивания представляется кусочно.

, -

. -

- -

мыми контурами Г31, приведенную на рис. 1.

частотноуправляемого асинхронного двигателя

С помощью Г-образной схемы замещения определяются токи контуров, потери, энергетические показатели и моменты двигателя. Полное сопротивление :

а

N2

Г1 + С1 ■ г2 ■ -р

+ а ■ (і + Сі ■ Х2

(3)

где с = 1 + х0 / XI - коэффициент коррекции параметров при переходе от Т-образной к Г-образной схеме ; х1 -

статора при Л = /1и; х2' - индуктивное сопротивление обмотки ротора (приведенное) при Л = /н; х0 - главное индуктивное сопротивление двигателя при Л = /„;

Г - активное сопротивление обмотки статора; г2' -активное сопротивление обмотки ротора (приведенное); г0 - фиктивное активное сопротивление, введенное в схему замещения для учета магнитных потерь; Р = Л2 /Ли - абсолютное скольжение ротора, при этом относительное скольжение £ = Р / а.

Здесь и в дальнейшем при каждом значении а задаются рядом значение Р в пределах 0 < р < р^, где:

Ркр=-

СГ г2

(4)

'И-

а

2 + ^Хі + Сі ■ х2

При использовании Г-образной схемы замещения магнитный поток двигателя не зависит от параметров рабочего контура, а определяется только законом изменения частоты и напряжения. При квадра-

2 «-«

тичном законе регулирования у = а , магнитныи поток зависит от частоты питающего напряжения:

и1„ ■ У _ П1н ■а

Ф = -

4,44 ■ Щ ■ К,

Ч>61, ■ Лн ■а С ■ Аі

(5)

10р - /дан ■

/ір - /0Р + /2 ^ІИ ф2 -

-?■

ОРН

а

и,

1н

г

■с, ■ а■ х + с, ■ Х2

кр

где 8ІИф2

_ с, ■ а ■ (х, + с, ■ Х2);

(6)

г

кв

ф2 - угол между и, и /2.

/1а - 1 оа + 1 2Сда Ф2 - 1 оа +

и,н -У

г

кр

С1 Г1 + С1 г2-

(7)

где С0^2 :

' а

Г, + С, ■ Г2 ■ —

г

кр

Активная составляющая тока холостого хода /оа определяется суммой потерь двигателя холостого хода:

ЕЛ, _ ^эл10 + Рмаг + Рмех , (8)

где Рэл ю - электрические потери в обмотке статора от тока холостого хода (/0 = /ор); Рмаг - магнитные потери в сердечнике статора; Рмех - механические потери.

Электрические потери в обмотке статора:

\2

2 I У1 „ „ (9)

Рэлю -ту 1 орн” ■ | а | ■'і т

где та - температурный коэффициент, зависящий от класса нагревостойкости изоляции обмотки статора. Магнитные потери в сердечнике статора:

Р ______ О

1 маг 1 магн

>+2)

где Рм

■а'"' “', (10)

магнитные потери при номинальных зна-

чениях частоты Л\ и напряжения П п = 1,3-1,6 - ко,

.

Механические потери можно определить из выражения [4]:

П,ех_^мехн ■а*, (11)

Р -

; = 1-1,5 - ,

определяемый габаритами двигателя и конструкцией .

Активная составляющая тока холостого хода:

X Р0

1оа " гг

т1 ■ иы ■У Полный ток статора:

/1 - >/ 12а + !?р .

Коэффициент мощности двигателя: /іа

(12)

(13)

СОБф - •

где с = 4,44-Щі^обі.

При регулировании частоты вращения О двигателя "вниз" от номинальной (при / = /1н) магнитный поток уменьшается и можно считать магнитную сис-, -щая тока холостого хода прямо пропорциональна . (5) :

1

..ау

где /0рН - реактивная составляющая тока холостого хода при номинальных напряжении и частоте.

Реактивная и активная составляющие тока стато-

, :

+

Подведенная к двигателю активная мощность:

Л _ т1 -У- Аа.

Полные потери в двигателе:

^Р _РЭЛ1 + Рэл2 + Рмаг +

Электрические потери в обмотке статора:

РШ1 _ т1 ■/^ -Г1 -тч . Электрические потери в обмотке ротора:

\2

(14)

(15)

(16) (17)

Рэл 2 - т1

иы ■У

г

кр

(18)

где та - температурный коэффициент, зависящий от температуры нагрева обмотки ротора.

Потери магнитные и механические определяются по выражениям (10) - (11). Добавочные потери при синусоидальной форме питающего напряжения принимаются в среднем 1 % потребляемой двигателем мощности [2].

Если форма питающего напряжения ступенчатая, что характерно для АПН без ШИМ, то возникают добавочные магнитные и электрические потери от высших гармоник напряжения [1].

При расчете добавочных электрических потерь необходимо учитывать уменьшение индуктивного сопротивления рассеяния ротора и увеличение активного сопротивления обмоток ротора за счет эффекта вытеснения тока [5].

Величина полезной мощности:

^ _л - . (19)

Коэффициент полезного действия:

Р 2

п- —.

Л

(20)

Электромагнитный момент двигателя в соответствии с [3] при номинальных и Лъ

М -

Рэл2 - Р^т -и1н ■'2

(21)

«Г£ 2-п-Лы ^^р

где 2^ определяется по выражению (3), если а = 1, то относительное скольжение £ равно абсолютному скольжению р.

Для частотноуправляемого двигателя электромагнитный момент:

1

+

а

M-

р • ml

•(flH •y)2

• r2

Z2

•ZkP

2-п-АпР-

где p - число пар полюсов обмотки статора. Полезный момент на валу двигателя:

M2 -

P

(22)

(23)

0,н ■(а-р) где 0,н = 2-л/ін / p.

Приведенная методика была использована для расчета рабочих характеристик асинхронного двигателя АН4 - 17-45-10 (номинальные данные: Р2 = 1600 кВт, и1л = 6000 В, синхронная частота вращения п, = 600 / ).

Расчет рабочих характеристик, включая коэффициент мощности и коэффициент полезного действия проводился для нерегулируемого двигателя при переменной нагрузке и его же, как частотноуправляемого при том же диапазоне изменения нагрузки на валу и квадратичном законе регулирования. Зависимость СОБф = /Р2), п = /Р2), = П'СО^ = /Р2) для нерегу-

. 2.

СОЗф, К эн

Рис. 2. Зависимости нерегулируемого двигателя

Характеристики частотноуправляемого двигателя рассчитывались в диапазоне изменения коэффициента регулирования а = 1,0-0,4 при постоянном абсолютном скольжении р = 0,008, что соответствует значению относительного скольжения £ в режи ме номинальной нагрузки и а = 1. Характеристики в зависимости от коэффициента регулирования а приведены на рис. 3 в относительных единицах.

К,Р2,т 2 о.е. 1

1 1 1 1 1 1 1 1 jf

1 1 1 КзрІ 1 1 1 1 L

-1 J- 4- 1 4

-1 4- 1 4- 1 4- 1 >^1

-1 1 4- 1 4- 1 1 1 1 4- У і/ 1 1 1

J L 1 J_ 1 і .

J L 1 L 1 І A 1 -/ 1 і .

1 J L if / ,/"2 2 і і .

J L 1 J_^'l 1 1 і .

J L J- 1 1 і .

1 1^- 1 1 1 1 1 1 1 І а i

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1

Рис. 3. Зависимости частотноуправляемого двигателя

Расчетная кривая полезной мощности Р2 = Л(а)

Р2 а3,

т2 = Л(а) - -

лу (т2 = а2), что соответствует работе двигателя в режиме вентиляторной нагрузки. Там же приведена зависимость энергетического коэффициента частот-

= Л(а)

энергетического коэффициента нерегулируемого дви-

гателя Кж = fP2) (перестроена с рис. 2).

Анализ результатов расчета показывает, что изменение частоты питающего напряжения f = f1H-a при квадратичном законе регулирования у = a2 приводит к изменению полезной мощности на валу, а значит к изменению энергетического коэффициента Кэр. Одна,

a, -

больших пределах (Кзр = 0,785 при a = 0,4 и Кэр = 0,84 при a = 1,0). Изменение энергетического коэффици-

= f(P2) -

нении нагрузки на валу весьма значительно и при малых мощностях Кэн резко уменьшается, как показано . 2. -вой полезной мощности двигателя требуют дополнительного построения (показано пунктиром на рис. 3).

P2, P2 = f(a)

кривой А'эр = fa) и Кт из кривой Кж = fP2). Напри,

P2 = 0,4 . . -

чим А'эр = 0,83 и Кж = 0,66 соответственно, т.е. энергетический коэффициент увеличился на 25,7 % от своего значения для нерегулируемого двигателя.

Предложенная методика расчета рабочих характеристик частотноуправляемых асинхронных двигателей позволяет определить их энергетические пока, -зателей нерегулируемых и частотноуправляемых асинхронных двигателей показал, что использование частотноуправляемых двигателей в приводах с переменной нагрузкой на валу позволяет существенно повысить энергетическую эффективность асинхрон-, -энергии на собственные нужды электростанции.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Радин В.И., Брускин Д.Э., Зорохович А.Е. Электрические машины. Асинхронные машины. - М.: Высшая школа, 1980. - 328 с.

2. Сандлер А.С., Сарбатов Р.С. Автоматическое частотное управление асинхронными двигателями. - М.: "Энергия", 1974. - 326 с.

3. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины. - М.: Энергия, 1980. - 903 с.

4. Копылов И.П. Проектирование электрических машин. -М.: Энергия, 1980. - 486 с.

5. Асинхронные двигатели общего назначения. Под ред. В.М. Петрова и АЗ. Кравчика. - М.: Энергия, 1980. - 488 с.

Поступила 22.09.2009 Вороновский Геннадий Кириллович, д.т.н.

-

Орловский Игорь Викторович Гончарова Екатерина Евгеньевна Нацинальный технический университет "Харьковский политехнический институт"

Украина, 61002, Харьков, ул. Фрунзе, 21

" ", " "

G.K. Voronovskiy, I. V. Orlovskiy, E.E. Goncharova

Techniques of energy performance improvement for electric power users on power station own needs Comparative analysis of power performance of noncontrolled and frequency-controlled asynchronous motors shows that frequency-controlled asynchronous motors application in shaf-tvariable-load drives allows substantial increase in power efficiency of the asynchronous motors as the basic electric power users on power-stations own needs.

Key words - frequency-controlled asynchronous motors, power-stations own needs, power efficiency increase

O 9

O.S

O.2

O.l