Лекция № 7. Энергосберегающий асинхронный двигатель на примере регулируемого электропривода насосов

Содержание лекции:

- вопросы использования специальных двигателей в частотнорегулируемом электроприводе;

- основные параметры двигателей, от которых зависит энергопотребление;

- расчет параметров частотнорегулируемого двигателя.

Цель лекции:

-о знакомить студентов с особенностями работы двигателей от частотных преобразователей;

- ознакомить студентов с р асчетом параметров энергосберегающих асинхронных двигателей;

Энергосберегающий подход к решению задачи оптимизации режимов работы электроприводов переменного тока включает в себя решение вопросов разработки энергосберегающего асинхронного двигателя, т.е. такого двигателя, который в режимах работы имел бы наименьшие потери при обеспечении технических характеристик и минимизации действительной стоимости двигателя.

Основным исходным уравнением при разработке любой электрической машины является выражение расчетной мощности, которую будем считать заданной:

, (38)

где n -синхронная частота вращения (для магистральных насосов n=50 об/сек);

D, l -диаметр расточки статора и длина сердечника;

А, -линейная нагрузка и магнитная индукция машины, в

воздушном зазоре в номинальном режиме;

-обмоточный коэффициент;

-обмоточный коэффициент укорочения;

У - шаг обмотки;

- коэффициент распределения.

Как следует из выражения (38), при заданной мощности Р и частоте вращения, произвольно изменяющимися (при соблюдении уравнения 58) являются пять величин:. От выбора этих и ряда других, указанных ниже величин, зависят технические характеристики двигателя, т. е. соответствие их техническим требованиям привода, энергетические характеристики и решение поставленной задачи энергосбережения.

Потери в двигателе складываются из потерь в обмотке статора -, потерь в обмотке ротора -, потерь в стали -, потерь механических-:

. (39)

Потери в обмотке статора:

, (40)

где - число фаз, ток, сопротивление обмотки статора.

Потери в обмотке статора складываются из потерь в ее активной части - и лобовой части -:

. (41)

Потери в активной части обмотки статора:

, (42)

где, (43)

- удельное сопротивление материала обмотки статора;

длина фазы активной части обмотки статора

, (44)

сечение фазы

. (45)

- число витков и плотность тока в обмотке статора

Ток обмотки статора может быть выражен через линейную нагрузку:

, (46)

После подстановки соответствующих величин получим:

. (47)

Таким образом, потери в активной части обмотки статора равны произведению поверхности расточки сердечника статора, удельного сопротивления материала (меди) обмотки статора, линейной нагрузки и плотности тока в обмотке статора.

Аналогичным образом можно получить:

(48)

где - длина полувитка лобовой части обмотки статора.

Подобные выражения могут быть получены для потерь в обмотке ротора заменой индекса 1 на 2.

Анализ полученных выражений показывает, что при заданной мощности и частоте вращения, при неизменном объеме сердечника изменение шага (например, уменьшение), с одной стороны, приводит к изменению (уменьшению) потерь, с другой стороны, - к изменению (увеличению) линейной нагрузки, и, следовательно, потерь.

Таким образом, первым направлением в решении задачи разработки энергосберегающего двигателя является оптимизация, с точки зрения минимума потерь, шага обмотки.

При заданной мощности и частоте вращения, при выбранных значениях электромагнитных нагрузок

(49)

Из (49) следует, что, т.к. D и при выполнении последнего условия могут иметь бесчисленное число значений, задача выбора главных размеров электрической машины является многовариантной: машина может быть короткой (малая длина сердечника, большой диаметр) или длинной (большая длина сердечника, малый диаметр). Геометрию машины (длинная, короткая) принято характеризовать геометрическим параметром

,. (50)

Известно, что выбор параметра оказывает всестороннее влияние на все технические характеристики асинхронного двигателя: на нагрев его обмоток, энергетические параметры, на потери. В асинхронных двигателях выбор параметра оказывает большое влияние на такие технические характеристики как: пусковой момент, максимальный момент (перегрузочная способность), маховый момент (большой или, наоборот, малый). Высоких требований к пусковому моменту асинхронного двигателя в частотно-регулируемом приводе насоса не предъявляется. Понятие перегрузочной способности для асинхронного двигателя насоса теряет физический смысл.

Поэтому, при выборе параметра для асинхронного двигателя насоса, требования, предъявляемые к этим техническим характеристикам, отодвигаются на второй план, на первый план выдвигаются требования обеспечения минимума потерь, возможны также различные подходы к решению этой задачи. Таким образом, вторым направлением решения задачи снижения потерь является оптимизация геометрического параметра, исходя из критерия минимума потерь.

Обратимся теперь к выбору электрических нагрузок - линейной нагрузки А и плотности тока в обмотках статора и ротора. Анализ формул (79), (80) показывает, что снижение электрических нагрузок А и j приводит к снижению потерь в обмотках статора и ротора. Однако снижение линейной нагрузки сопряжено (как следует из 70) с увеличением габаритов и объема сердечника, что в свою очередь приводит (при) к увеличению потерь в стали и потерь в обмотках статора и ротора, т.е. к отрицательной обратной связи на функцию снижения потерь. Поэтому, это направление (снижения линейной нагрузки) не следует считать приоритетным.

Более перспективным для достижения поставленной цели-снижения потерь в обмотках статора и ротора - является путь снижения плотности тока в обмотках.

В обычных асинхронных двигателях использование такого подхода сопряжено с рядом ограничений. Значительное снижение плотности тока в обмотке ротора приводит к уменьшению ее сопротивления, а следовательно, к уменьшению пускового момента, что недопустимо по техническим требованиям согласно ГОСТ. Как уже отмечалось, данная проблема применительно к асинхронным двигателям частотно-регулируемых приводов насосов практически снимается.

Снижение плотности тока в обмотке статора (как правило, и в обмотке ротора) сопряжено с увеличением площади паза, высоты паза.

Увеличение высоты паза приводит к увеличению индуктивных сопротивлений рассеяния, со всеми вытекающими отсюда последствиями.

Действительно, индуктивное сопротивление:

; (51)

,

,

- магнитная проводимость полей рассеяния;

; (52)

.

После преобразований:

; (53)

или

, (54)

где.

Анализ выражения (54) показывает, что с увеличением высоты паза увеличивается магнитная проводимость полей рассеяния, индуктивное сопротивление, снижаются и пусковой момент и максимальный, со всеми вытекающими отсюда негативными последствиями для обычных двигателей.

Поскольку в асинхронном двигателе частотно-регулируемого привода насоса жестких требований к пусковому моменту и к перегрузочной способности не предъявляются, то увеличение высоты паза, в разумных пределах, достаточных для решения поставленной задачи, не вызывает возражений.

Степень снижения плотности тока является темой отдельного исследования.

Рассмотрим теперь потери в стали.

Потери в стали -, выраженные через потери в зубцах -

, (55)

где - отношение потерь в ярме к потерям в зубцах.

Потери в зубцах

, (56)

где - объем стали зубцов;

- удельный вес стали;

- удельные потери в стали (в одном кг. стали при индукции 1 Тл и частоте f=50 Гц); при данном анализе будем считать, что частота f = 50 Гц;

- магнитная индукция в зубцах.

Объем стали зубцов:

, (57)

где - отношение средней ширины зубца к среднему зубцовому шагу;

- коэффициент заполнения пакета сталью;

- отношение высоты паза к диаметру.

Магнитная индукция в зубцах:

. (58)

Магнитная индукция в воздушном зазоре,

. (59)

После подстановки (57), (58), (59) в (56) получим зависимость изменения потерь в стали сердечника при изменении магнитной индукции (т.е. и объема сердечника) при постоянной мощности, частоте вращения и линейной нагрузки:

, (60)

где;

. (61)

Из выражения (60) следует, что при указанных выше условиях и уменьшении индукции (за счет увеличения сечения сердечника) потери в стали уменьшаются обратно пропорционально объему сердечника. Другими словами, такое снижение потерь в стали достается слишком дорогой ценой. Но и это только одна сторона проблемы.

С другой стороны, согласно выражению (49), с увеличением габаритов сердечника - увеличиваются потери в обмотках статора. При этом, как правило, суммарные потери в обмотках статора и ротора больше потерь в стали. Поэтому общий эффект от снижения потерь в стали (соответственно, от увеличения объема сердечника) может быть отрицательным. Поэтому направление поиска снижения потерь за счет снижения индукции не может также считаться приоритетным.

Однако из выражений (55), (56) следует, что есть направление возможного значительного снижения потерь в стали - это использование для сердечника статора электротехнических сталей с малыми удельными потерями, т.е. современных электротехнических сталей, сталей меньшей толщины; хотя эти стали и более дорогие.

Лекция №8. Основные аспекты энергосбережения на примере электроприводов механизмов собственных нужд тепловых электростанций.

Содержание лекции:

- общие вопросы энергосбережения в электроприводах собственных нужд(СН) ТЭС;

- обзор используемых электроприводов в механизмах СН;

-пути снижения энергопотребления в электроприводах мех. СН.

Цель лекции:

-о знакомить студентов с особенностями работы электроприводов СН на ТЭС;

- показать возможные пути энергосбережения в электроприводах СН;

- определение механизмов СН подлежащих модернизации.

Применениерегулируемых электроприводов для механиз­мов СН позволяет не толькоповысить их эксплуатационный КПД, а значит, обеспечить экономию электроэнергии (топлива), но и создает новые возможности.Так, появляется возможность экономичной работы энергоблокапри разгрузках наскользящем давлении параи врежимепокрытиямощности СН. Последний возникает обычно при ложных действиях защиты генератора энергоблока или отходящих ЛЭП и соп­ровождается мгновенным сбросомнагрузки дозначения, соответствующегопотреблению энергии механизмами СН. В этих случаях желательносохранение энергоблока в работе, готовымдля обратноговключения в сеть и принятия нагрузки.

В режимах пуска и самозапуска регулируемогоэлектропривода появляется возможность исключить четырех - семикратные пусковые токи, повыситьнадежность электрооборудования и электрическойсети СН. Плавноере­гулирование производительности позволяет уменьшить износ механизмов, трубопроводов, подшипников и т.п., следовательноснизить затраты наремонт, увеличить межремонтные периоды. Появляется также возможность перейти на качественно новый,более высокий уровень автоматизации ТЭС,эффективнее использовать ЭВМ для управлениярежимами энергоблока.

Вместе с тем, замена системы регулирования производи­тельности с направляющими аппаратами,регулирующими клапанами и АД при постоянной частоте вращения (ЧВ) регулируемым электроприводом, требует дополнительного капиталовложения. Поэтому решениевопроса о заме­не нерегулируемогоэлектропривода регулируемыми выборе его системы лежитв области технико-экономического анализа. Анализ долженучитывать целесообразность затрат на регулируемый электропривод нетолько в зависимости от экономии элект­роэнергии,но и отряда дополнительных факторов. К ним относятся-вид сжигаемого топлива, его стоимость, годовой график нагрузки энергоблока, а также графикна­грузки механизма, диапазонего регулирования,возможность дополнительной выработки электроэнергииза счет отказа от дросселирования в режимах максимальнойнагруз­ки энергоблока при том же количестве топлива,увеличение межремонтного периода и сокращение затратна ремонт теп­ло - и электротехнического оборудованияза счет повышения надежности и т.п. Учет перечисленных факторовв общемпредставляет значительные трудности ивозможен лишь в применении для каждого конкретного случая регу­лируемого электропривода. В то жевремя можнодать интегральную оценку эффективности регулирования механизмов по ук­рупненным показателям, учитывающим разницу вотносительных потерях электроэнергии при регулировании ЧВ и использовании дрос­сельного регулирования, т.е.только за счет экономии электроэнергии.

Механизмы собственных нужд ТЭС, оснащение которых регулируемым электроприводом наиболее рационально.

Процесс производства электроэнергии на паротурбинных электростанциях обеспечивается комплексом вспомога­тельного оборудования, причем состав механизмов пылеугольных и газомазутных энергоблоков мощностью 63-1000 МВт из-за различия топлива несколько варьируется. Пылеугольные ТЭС имеют более широкую номенклатуру механизмов. Наиболее характерными из них являются:

а) Ленточные конвейеры топливоподачи - система транспортеров, обеспечивающих подачу топлива в бункера сырого угля. Мощность АД транспортеров не превышает 630 кВт, на многих ТЭЦ используется регулирование подачи угля на ленту конвейера скребковыми устройствами. Основная проблема - тяжелые условия пуска, вследствие чего для снижения пускового тока и обеспечения равномерного натяжения ленты, целесообразно применение полупроводниковых пуско - регулирующих устройств. Однако ощутимой экономии электроэнергии не достигается вследствие цикличности режимов работы транспортеров.

б) Ленточные питатели сырого угля для подачи топлива в углеразмольную мельницу. Мощности АД не превышают 30 кВт, конкретно на ТЭЦ-2 используются электроприводы постоянного тока от 0,4 до 12,5 кВт. Регулирование осуществляется механическими шиберами. Основная проблема - повреждаемость двигателей и ленты при пусках, неравномерность загрузки мельницы в режимах максимальной нагрузки котла, вследствие чего целесообразно применение пускорегулирующих систем. Экономия электроэнергии вследствие небольшой мощности механизмов и циклического режима работы незначитель­на.

в) Углеразмольные мельницы (шаровые, молотковые, валковые среднеходовые), обеспечивающие размол топлива в угольную пыль для сжигания. Мощность двигателей, вкачестве которых применяют,как правило, низкооборотные синхронные двигатели (СД), достигает 800 - 2500 кВт, в основном на ТЭЦ установлены двигатели мощностью 800 кВт. Основная проб­лема – тяжелыйпуск,ударные нагрузки.Имеются сведения о применении на ряде ТЭС безредукторного частотно-регулируемого тихоходногоэлектропривода на основе АД и тиристорного преобразователя частоты с непосредственной связью(циклоконвертера). Ощутимой экономии электроэнергии не достигается вследствие цикличности режимов работы.

г) Мельницы-вентиляторы, обеспечивающие размол,просушку топлива и вдувание угольной пыли с горячим воз­духом в топкукотла. Мощность приводных АД достигает 2 000 кВт. Основныепроблемы - тяжелый пуск, необходимостьравномерной подачи угольной пылинезависимо от загрузки мельницы. Применениетиристорной системы для пуска и регулирования этих меха­низмов позволяетобеспечить решениеэтих проблем, но, как показывают предварительные исследования, экономия электроэнергии незначительна. Целесообразностьприменения ре­гулируемого электропривода необходимообосновывать для каждогоконкретного случая.

д) Дутьевые вентиляторы и воздуходувки котлов,обеспечивающие транспор­тировку воздуха, необходимого для подсушкитоплива и его горения, а такжеработу котлаподнаддувом, что исклю­чаетнеобходимость применения дымососов (ДС)для мощных энергоблоков. Мощностиприводных АД 360- 6 000 кВт. Оснащениерегулируемым электроприводом, начинаяот мощностипримерно630 кВт, оказывается экономическивыгодным.

ж) Дымососы (дымососы рециркуляциидымовых газов), создающие тягу вкотле и осуществляющие выброс продук­тов сгорания, а такжеотбор части дымовыхгазов. Мощностьприводных АД 200-4 000 кВт. Применение регулируемого электроприводанаходится на границе окупаемости при мощности400-500 кВт,выше этой мощности создаетсяэкономический эффект темзначительнее, чем выше мощность механизма.

з) Питательные насосы, входящие в состав водопитательной установки ТЭЦ и обеспечивающиеподачу в котел предварительно деаэрированнойводы из питательныхбаков деаэраторов повышенного давления.Требуемая мощностьпри­вода 800-21500 кВт. В отечественной и реже в зарубежной практике, наряду сэлектроприводом, применяюттурбопривод от вспомогательнойвысокооборотной турбины, которыйв рядеслучаев оказывается конкурентоспособным.Регулирование производительностипитательных насосов изменением ЧВ оказывается эффективным, обеспечиваяэкономию электроэнергии и весьма быструю окупаемость затрат.

и) Конденсатные насосы водопитательной установки, подающиеконденсаттурбин изконденсаторови добавочную воду в деаэратор.Мощность электропривода160 - 2 000 кВт. Оснащение регулируемым электроприводомможет оказаться экономически целесообразным начиная от мощностей 600 кВт.

к) Циркуляционныенасосы, входящие в систему техническоговодоснабжения и предназначенные для охлаждения отработавшего пара за счет подачиохлаждающей воды (из пруда-охладителя,водохранилища, реки) в конденсаторы турбин.Мощность приводных АД - от 400 до 11300 кВт. Спецификаработы циркуляционных насосов обуславливает необходимость выполнения расчетов, обосновывающихприменениерегулируемого электропривода длякаждого конкретного случая.

Целесообразность и эффективностьэкономичного регулированияподачи циркуляционных насосовизменением ЧВ увязываются с улучшением режима турбоагрегатапри разгрузках.

л) Сетевыенасосы, входящие в состав теплофикационных установок на ТЭЦ и предназначенные для снабженияпотребите­лей горячей водойнаотопление и горячее водоснабжение. Диапазон мощностей приводных АД 120- 3000 кВт. Применение регулируемогоэлектропривода для плавногоизменения напора целесообразно.

м) Пылеприготовительные установки. Производительность современных молотковых мельниц достигает 100 т/ч на буром угле и 50 – 60 т/ч на каменном. Тонкость помола пыли в мельницах может изменяться от 100 до 60 % остатка на сите 90 мкм. Применяются молотковые мельницы с мощностью двигателей до 800 кВт. Паспортная производительность мельницы обычно принимается за оптимальную. Регулирование частоты вращения молотковых мельниц может повысить производительность этих механизмов.

Какпоказывают расчеты, для энергоблоков 210 МВт, оснащение регулируемым электроприводом питательныхнасосов позволяет уменьшить расход электроэнергиина СН энергоблока болеечем на 10%, что составляетв среднем 8-10 млн. кВт-ч, и оказывается экономически оправданным.Отмечается, что оснащение регулируемым электроприводом ДВ котла мощностью 2200 кВт, взамен системы механического поворо­та лопаток, позволило поднять мощность энергоблока с 265 до 276 МВт и снизить расход электроэнергии на 25 % [7].

Оснащение регулируемым электроприводом питательных насосов мощностью 1500 кВт энергоблоков 110 МВт при капитальных затратах в 359 тыс. долл. позволило бы получить экономию в 1 млн. 42 тыс. долл. Здесь же отмечается, что оснащение двух ДВ мощностью по 3 000 кВт на газовом энергоблоке 530 МВт регулируемым электро­приводом оказалось выгодным, экономия топлива позволила окупить затраты на установку регулируемых электроприводов за 2,6 года [7].

Таким образом, очевидно, что на целесообразность и возможность оснащения механизмов СН регулируемымэлект­роприводом оказывает влияниеряд факторов, обуславливающихв каждом конкретном случае номенклатуру механизмов ТЭС, для которых применение такогоэлектропривода наиболее рационально, основные из них:

- глубинаразгрузки энергоблокаи длительность работы в режимахразгрузки;

-вид топлива (мазут, газ, уголь) и его стоимость;

- мощность механизма СН, оснащаемого регулируемым электроприводом;

- наличие соответствующего комплектного объектно-ориентированного электропривода.

Наиболее энергоемкими объектами ТЭЦ являютсяпитательные насосы, которые непосредственно влияютна надежностьи экономичность работы станции.Поэтому в первую очередь с точки зрения повышения экономичности работы целесообразно рассмотреть вопросы уменьшения потерь энергии именно на этих объектах.

Технико-экономическая целесообразность применения регу­лируемого электропривода зависит от схемы сети, графика нагрузок агрегата, характеристик тепломеханического и электротехнического оборудования и его стоимости, цен и изменения издержек на топливо и других факторов.