Экономическое, политическое и военно-промышленное развитие стран неразрывно связано с наличием или отсутствием в необходимых количествах энергоносителей. Это делает разработку новых методов энергосбережения наиважнейшей задачей, от которой зависит не только обороноспособность, но и будущее этих стран.
Рост цен на энергоносители и многочисленные экологические катастрофы, связанные с добычей, транспортировкой и их переработкой, выводит энергосбережение в число особо важных направлений, от которых зависит не только финансовое благополучие стран и конкретных предприятий, от этого зависит среда обитания человека и его способность воспроизводить себе подобных в ближайшие два десятилетия.
Технологическое отставание российской промышленности и отсутствие экономических стимулов для ее развития, привело к тому, что для производства аналогичной продукции мы затрачиваем в 3 — 4 раза больше электроэнергии, чем в промышленно развитых странах. В связи с чем, кроме отмеченных выше проблем, прибавляется еще и неконкурентоспособность наших товаров и услуг.
Особо прискорбным фактом является то, что многочисленные статьи, книги, выставки и выступления специалистов в области энергосбережения, связывают энергосберегающие технологии исключительно с учетом потребления электроэнергии и призывами экономить. Не удалось найти ни одной серьезной научной работы в этой области.
Неужели у многочисленных научно-исследовательских институтов, академии наук, министерств и ведомств, отвечающих за развитие промышленности, есть более серьезные задачи? До сих пор, не обозначено даже направления работ.
Восполнить существующий «вакуум» информации и идей в этой области позволит приведенные ниже аналитические и практические предложения специалистов предприятия «КОПЭН».
ОПРЕДЕЛИМ НАИБОЛЕЕ ЭФФЕКТИВНЫЕ МЕТОДЫ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ
Для этого проанализируем структурную схему производства и потребления электроэнергии и качественно оценим весовую значимость каждого звена.
1. Электростанция, на вход которой поступает энергоноситель. Около 75 % всей электроэнергии вырабатывается тепловыми электростанциями ТЭС и теплоэлектроцентралями ТЭЦ.
КПД турбины тепловой электростанции, вырабатывающей электроэнергию около 21 %. Суммарный КПД ТЭЦ оценивают от 50 % до 60 %, за счет учета полезного использования горячей воды и пара.
Не будем в рамках данного материала рассматривать эффективность такого обогрева городов даже в средней полосе, не говоря о городах на севере. Это отдельная тема. Потери мы все наблюдаем по незамерзающим даже в мороз участкам земли. Трубы с горячей водой, протяженностью десятки километров обогревают окружающую среду.
Отметим, что реальный КПД ТЭЦ, по этой причине, ниже заявляемого значения. В электроэнергию, а мы рассматриваем имеено производство, передачу и потребление электроэнергии, тепловая турбина полезно преобразует всего 21 % энергоносителя.
5 . Привод: от 60 % до 70 % всей производимой электроэнергии потребляется асинхронными трехфазными электродвигателями (АД). Остановимся на них чуть подробнее.
Теоретически и по паспорту, в номинальном режиме работы асинхронные двигатели имеют высокий коэффициент эффективности, КПД = 80 % — 95 %. Такой режим работы действительно можно искусственно создать в лабораторных условиях. В реальных условиях эксплуатации, практически, ни один АД не работает в номинальном режиме.
Во-первых, потому, что у АД неудовлетворительная (скверная) механическая характеристика (зависимость частоты вращения вала двигателя и момента): пусковой момент мал, а 95 % скоростного диапазона характеристики является неустойчивой. По этой причине, частота вращения вала асинхронного электродвигателя не регулируется параметрически (по одному параметру — напряжению или току), а 99 % всех технологических операций требуют регулирования.
Во-вторых, малый пусковой момент, приводит к тому, что конструкторы и специалисты по эксплуатации электрооборудования вынуждены завышать установленную мощность АД в 1,5 — 2 раза, а в случае тяжелого пуска в 3 — 4 раза. Это приводит к снижению надежности и к существенным потерям электроэнергии. После пуска оборудования, как правило, происходит падение нагрузки, и двигатель попадает в область низких КПД.
В-третьих, достаточно нескольких пусков и остановок в час, работы со знакопеременными нагрузками, реверсированиями и КПД асинхронных двигателей существенно падает.
В-четвертых, длительная работа с малыми нагрузками или на холостом ходу дополнительно снижает КПД.
В-пятых, падение напряжения в сети и плохое качество подводимой энергии, не только снижает КПД асинхронных двигателей, но и приводит к авариям. ГОСТ 183-74 допускает понижение напряжения питания АД не более 5 % от номинального значения. Реальные падения напряжения в промышленности и в сельском хозяйстве достигают 30 % и более.
По этим причинам, на длительном интервале времени, среднее значение КПД асинхронных двигателей с учетом работы с недогрузкой, пусками, остановками, реверсированием, работы со знакопеременными нагрузками, плохим качеством подводимой энергии и т.п. в различных отраслях народного хозяйства находится в диапазоне от 15 % до 30 %.
Прямые измерения КПД погружного асинхронного двигателя, типа ПЭД на реальной скважине в ОАО «НОЯБРЬСКНЕФТЕГАЗ» показали, что значение КПД, находятся в пределах 18 % — 22 %, хотя в лаборатории на имитаторе этот показатель составлял 76 %.
Принимаем средний КПД АД равным 30 %. Мы взяли явно завышенное значение среднего КПД, только потому, что у нас нет точных статистических исследований по всем отраслям промышленности и в сельском хозяйстве.
6. Рабочая машина, преобразующая на выходе структурной схемы, электрическую энергию в полезную работу. КПД рабочей машины (технологического оборудования) в номинальных условиях может иметь высокий КПД, вплоть до 80 % – 90 % (крупные центробежные насосы и вентиляторы). Однако, практически все технологические операции требуют регулирования рабочих параметров. При отсутствии регулирования, КПД рабочей машины снижается до 30 % – 40 %. Принимаем КПД = 40 %.
Существующие частотные системы управления, позволяющие регулировать АД в диапазоне 20% — 25%, дорого стоят. Кроме того, требуют высококвалифицированного обслуживающего персонала, что существенно увеличивающего эксплуатационные расходы. Поэтому, доля регулируемых приводов не превышает 5 % — 6 % и в расчетах ими можно пренебречь.
Посчитаем теперь эффективность преобразования природного энергоносителя в полезную работу: для этого перемножим КПД всех основных составляющих структурной схемы в относительных единицах.
ВЫВОД: ЭНЕРГОНОСИТЕЛЬ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ И ПОТРЕБЛЕНИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ РАСХОДУЕТСЯ МЕНЕЕ ЧЕМ НА 2%, А 98% ЕГО ПОТЕНЦИАЛА ПРЕОБРАЗУТСЯ В ЯДОВИТЫЙ ДЫМ И ОБОГРЕВАНИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ.
Миллионы потребителей в различных отраслях промышленности и сельском хозяйстве используют асинхронные двигатели в нерегулируемом режиме. Нерегулируемость АД вносит определяющий вклад в энергетическую неэффективность использования энергоносителей. Все это сопровождается еще и многочисленными экологическими проблемами в разных частях мира. Газ, уголь, нефть (мазут), торф — являются невосполнимыми энергоносителями на Земле. Не в этом ли кроется основная причина нехватки энергоресурсов и надвигающегося глобального энергетического кризиса?
КАК ПОВЫСИТЬ ЭФФЕКТИВНОСТЬ С МИНИМАЛЬНЫМИ ЗАТРАТАМИ?
Очевидно, следует выбрать приоритетное направление по критерию: минимальное вложение денежных средств к максимальному повышению эффективности.
Специалисты научно проектного предприятия ООО «КОПЭН», под руководством Яловега Николая Васильевича, разработали новые энергосберегающие электродвигатели переменного тока, названные РПЭДЯ. Мы предлагаем готовое решение глобальной проблемы, стоящей перед человечеством — проблемы нехватки и повышающейся стоимости энергетических ресурсов.
Многочисленные исследования в реальных условиях эксплуатации показали, что РПЭДЯ при выполнении той же работы, что и АД, потребляют в 3 — 5 раз меньше электроэнергии.
КАК ДОБИТЬСЯ ЗНАЧИТЕЛЬНОГО ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ?
Задача решается, относительно простой заменой существующих АД на РПЭДЯ.
Сильной стороной данного проекта является то, что это не требует огромных денежных вложений и долгих лет работы. Такая замена может быть произведена на существующем технологическом оборудовании путем модернизации того АД, которым укомплектовано это оборудование.
КАКИМИ ВОЗМОЖНОСТЯМИ ОБЛАДАЕТ РПЭДЯ?
РПЭДЯ, выполненные в металлоконструкции традиционного АД, сохраняет все положительные свойства АД, но при этом появляются новые уникальные свойства:
1 РПЭДЯ регулируются при неизменной частоте тока путем плавного изменения величины напряжения во всем скоростном диапазоне, в р езультате у миллионов потребителей появились регулируемые энергосберегающие электродвигатели, внешне не отличающиеся от традиционных АД, легко встраиваемые в существующее технологическое оборудование. Регулирование частоты вращения вала РПЭДЯ обеспечивают простые, надежные, доступные по цене автотрансформаторы с ручным или дистанционным управлением, не требующие высококвалифицированного обслуживающего персонала. В случаях, требующих применения обратных связей, используются простые по конструкции и схемному решению полупроводниковые регуляторы напряжения или привод по схеме «генератор-двигатель», так же имеющие невысокую стоимость.
2. Механическая характеристика устойчивая, пусковой момент максимальный и в 2 — 3 раза больше, чем у АД, за счет чего даже для агрегатов с тяжелым пуском применяют РПЭДЯ без превышения установленной мощности, а следовательно электродвигатель работает в области высокого КПД. Это позволяет использовать РПЭДЯ в особо тяжелых случаях эксплуатации — в режиме работы с заторможенным ротором, например, в приводе прокатных станов или приводе буровых установок.
3. При не номинальной нагрузке, в отличие от АД энергетический КПД РПЭДЯ снижается незначительно, за счет чего даже в нерегулируемом приводе при часто меняющейся нагрузке, экономия электроэнергии составляет 200 % — 300 % (в 2 — 3 раза, а в отдельных случаях даже в 4 — 5 раз).
4. При колебаниях напряжения, в том числе падении в несколько раз, не опрокидывается», как АД, а устойчиво работает с меньшей мощностью, но с высоким КПД. Хорошо работает со знакопеременными нагрузками, частыми пусками, остановками, реверсированием и с малыми нагрузками.
5. Понижена кратность пусковых токов с 7 до 3,5, за счет чего автоматически без специальных устройств обеспечивается плавный пуск без ударов на сопряженную машину, снижается нагрев электродвигателя в процессе частых пусков и остановок, а так же повышается межремонтный ресурс.
6. Критическая перегрузка двигателя сопровождается плавным снижением оборотов вала — критический момент и резкий останов отсутствует, за счет чего дополнительно повышается надежность в работе двигателя и сопряженной машины, увеличивается допустимое число пусков и остановок в течение заданного времени и в специальных режимах.
7. Массогабаритные показатели снижены на 25 % — 100 %, при сохранении посадочных мест двигателя аналогичной мощности и назначения, в результате при ограничениях габаритного ряда, например в погружном электронасосном оборудовании, значительно более мощные РППЭДЯ, позволяют расширить границы применения такого оборудования, а короткие погружные электродвигатели использовать в сильно искривленных скважинах.
Регулируя частоту вращения вала электродвигателя простейшими многообмоточными трансформаторами или автотрансформаторами или по схеме «генератор-двигатель», что еще более эффективно, потребители могут оптимизировать технологические процессы, а, следовательно, повысить КПД рабочих машин (технологического оборудования) с 40 % до 80 % и более. При этом средний КПД асинхронных электродвигателей, модернизированных по схеме энергосберегающих РПЭДЯ, повышается с 30 % до 70 % и более. Посчитаем теперь эффективность преобразования энергоносителя.
ВЫВОД: ТОЛЬКО ЗА СЧЕТ ЗАМЕНЫ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ НА РПЭДЯ МОЖНО ПОВЫСИТЬ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПРИРОДНЫХ ЭНЕРГОНОСИТЕЛЕЙ В 4,75 РАЗА.
Это значит, что все существующие в промышленности, сельском хозяйстве и быту потребители электроэнергии (объективно уже существующие), могут теоретически сократить в 4,75 раза потребление электрической энергии. Мы предлагаем готовое решение глобальной проблемы, стоящей перед человечеством — проблемы нехватки и постоянно повышающейся стоимости энергетических ресурсов.
ПРИГЛАШАЕМ К СОТРУДНИЧЕСТВУ РУКОВОДИТЕЛЕЙ МИНИСТЕРСТВ И ВЕДОМСТВ, ОТВЕЧАЮЩИХ ЗА РАЗВИТИЕ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ В РОССИИ.
Директор НПП ООО «КОПЭН»
Сергей Николаевич Яловега
Copyright(c) 2005 My Company. All rights reserved.
Источник
Способы повышения КПД и коэффициента мощности АЭП
ГОСТР 51541-99. Энергосбережение. Энергетическая эффективность. Состав показателей.
Энергосбережение — это комплекс правовых, технических и экономических мер, направленных на эффективное использование энергетических ресурсов. В соответствии с Федеральным законом РФ «Об энергосбережении» на промышленном предприятии должны быть разработаны мероприятия по экономии электроэнергии применительно к каждой электроустановке. В первую очередь это относится к устройствам с электрическим приводом, основной элемент которого электродвигатель. Известно, что более половины всей производимой в мире электроэнергии потребляется электродвигателями в электроприводах рабочих машин, механизмов, транспортных средств. Поэтому меры по экономии электроэнергии в электроприводах наиболее актуальны.
Основные положения энергосбережения регламентированы государ-ственными стандартами РФ:
ГОСТ Р 51379—99. Энергосбережение. Энергетический паспорт промышленного потребителя топливно-энергетических ресурсов.
ГОСТ Р 31380—99. Энергосбережение. Методы подтверждения соответствия показателей энергетической эффективности энергопотребляющей продукции их нормативным значениям. Общие требования.
Задачи энергосбережения требуют оптимального решения не только в процессе эксплуатации электрических машин, но и при их проектировании.
При проектировании и эксплуатации разного рода электроприводов необходимо учитывать потребление и потери электроэнергии, влияние ЭП на сеть и другие электроприемники. Оценка этих свойств осуществляется с помощью так называемых энергетических показателей: коэффициента полезного действия, коэффициента мощности, потерь мощности и энергии.
С целью уменьшения потерь энергии в период пуска или торможения двигатели к рабочим машинам подбирают таким образом, чтобы приведенный момент инерции привода при одной и той же скорости был наименьшим. Это реализуется за счет применения малогабаритных двигателей, имеющих пониженный J (двигатели с повышенным отношением длинны якоря к его диаметру, с полым или дисковым якорем). Целесообразно использование двух двигателей половинной мощности. Расчеты показывают; что ∑J двух двигателей половинной мощности оказывается меньше момента инерции одного двигателя на полную мощность. Например, два двигателя типа 4АН200 мощностью по 45 кВт имеющий суммарный момент инерции 2·1,38=2,76 кг·м 2 . Двигатель 4АН250 мощностью 90 кВт на ту же скорость имеет j=3,53 кг·м 2 , т.е. почти на 30% больше.
Другой способ уменьшения потерь ЭП – регулирование скорости идеального холостого хода, что хорошо реализуется в ступенчатом пуске ЭП (для АД – регулирование частоты вращения с помощью частоты питающего тока или числа пар полюсов; для ДПТ – регулирование частоты вращения с помощью напряжения).
При ступенчатом пуске отмечается снижение потерь электрической энергии в 2 раза.
За счет изменения в переходном процессе w0 снижаются потери энергии в роторе АД. Уменьшение потерь энергии в роторе вызовет и снижение потерь в статоре и полных потерь в АД. Приведенный момент инерции ЭП зависит не только от момента инерции двигателя или рабочей машины, но и от передачи отношения между ними. Для уменьшение потерь энергии при пуске, передаточное отношение – i следует выбирать исходя из получения минимального приведенного момента инерции ЭП и проверять экономическим расчетом.
КПД ЭП, как электромеханическая система определяется произведением преобразователя, управляющего устройства, электродвигателя и механической передачи ηэп=ηп·ηуу·ηэд·ηмп.
Наиболее значимой величиной является КПД двигателя, который растет с увеличением мощности и частоты вращения.
КПД зависит также от развиваемой им полезной механической мощности на валу (рис. 1).
Работа ЭП, как и любого другого потребителя характеризуется коэффициентом мощности
сos =.
Если Q не потребляется, то сos=1. Потребляя Q ЭП дополнительно загружает систему электроснабжения, вызывая дополнительные потери напряжения и энергии, поэтому cosдолжен стремится к единице. Достаточно часто, коэффициент мощности повышают компенсацией реактивной мощности статическими конденсаторами (в данном случае реактивная мощность для создания электромагнитного поля осуществляется от конденсаторов, расположенных непосредственно у АД).
Рисунок 1 – Зависимость КПД и коэффициента мощности электродвигателя от кратности нагрузки
Способы повышения КПД и коэффициента мощности ЭП:
— ограничение времени работы на холостом ходу;
— обеспечение нагрузки близкой к номинальной (в том числе путем замены малонагруженного (менее 40% от номинальной мощности) двигателя на двигатель меньшей мощности (должно быть экономически обоснованно));
=
.
