Калинин А.Э. Учебное пособие. Энергосбережение
Подождите немного. Документ загружается.
Рассматривая формулы (9.5) и (9.11), можно заметить, что повышению
к.п.д. электрических сетей будет способствовать повышение их
коэффициента мощности cosφ. Электрические сети имеют активно-
индуктивное сопротивление, поэтому для повышения cosφ применяют
компенсирующие конденсаторы. Компенсирующие конденсаторы могут
включаться параллельно обмоткам силовых трансформаторов (поперечная
компенсация) или последовательно проводам линий электропередачи
(продольная компенсация). Кроме того, компенсирующие конденсаторы
могут включаться по схеме звезды или треугольника.
Рисунок 9.2. Зависимость удельного сопротивления чистого алюминия от
температуры
При отключении конденсаторов они замыкаются на индуктивное
сопротивление (в сетях выше 1000 В) или на активное сопротивление (в
сетях до 1000 В.
Для выбора компенсирующих конденсаторов рассчитывается их
мощность и емкость.
1
2 3
4
1
2
3
4
1
1
2
3
4
1
2
3
4
140
Q
C
= P(tgφ
C
– tgφ
H
) (9.12)
2
3
C
fU2
10Q
C
(9.13)
где Q
C
– мощность компенсирующих конденсаторов, квар;
P – активная передаваемая мощность, кВт;
φ
C
– существующий угол между мгновенными значениями тока в
линии электропередач и линейным напряжением;
φ
H
– новый (желаемый) угол между мгновенными значениями тока
в линии электропередач и линейным напряжением;
f – частота тока, Гц;
U – номинальное напряжение линии электропередач, кВ.
К трудностям компенсации реактивной мощности относится
необходимость регулирования мощности и емкости конденсаторов в
зависимости от изменения коэффициента мощности и активной
передаваемой мощности.
9.2. Энергосбережение в
электроприводах
Электроприводы являются основными потребителями электроэнергии
в сельском хозяйстве и в промышленности. В этой связи эффективная их
эксплуатация является важнейшим направлением энергосбережения.
Наиболее распространенным является электропривод с асинхронным
короткозамкнутым электродвигателем. Асинхронный электродвигатель в
электроприводе работает при частоте вращения n
РАБ
, при которой
электромагнитный момент электродвигателя равен моменту сопротивления
1
2 3
4
1
2
3
4
1
1
2
3
4
1
2
3
4
141
(рисунок 9.3). Если момент сопротивления изменяется, электродвигатель
переходит на другую точку своей механической характеристики (см. рисунок
9.3). Если предположить, что прежняя рабочая точка соответствовала
максимальному к.п.д. электродвигателя, то в новой рабочей точке к.п.д.
электродвигателя уменьшится. Кроме того, обороты электродвигателя также
уменьшаться, что отразится на производительности рабочей машины и
энергоемкости продукта.
На основании изложенного следует целесообразность регулирования
частоты вращения и момента электродвигателя.
3
2
1
0
5
10
15
20
25
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
Обороты ротора, об/мин
Момент, Н.м
Рисунок 9.3. Механические характеристики электропривода
1 – момент электродвигателя, 2 – исходный момент сопротивления, 3 –
изменившийся момент сопротивления
К сожалению, подавляющее большинство асинхронных
электродвигателей не имеет устройств регулирования частоты вращения.
Отсутствие устройств регулирования находится в противоречии с
изменяемой нагрузкой. Устранение этого противоречия позволит уменьшить
затраты энергии на электропривод не менее чем на 25%.
1
2 3
4
1
2
3
4
1
1
2
3
4
1
2
3
4
142
Способы регулирования частоты вращения определяются следующей
зависимостью:
p
f30
)s1(n)s1(n
12
(9.14)
где n
2
– обороты ротора, об/мин.;
s – скольжение ротора относительно вращающегося поля статора;
n
1
– обороты поля статора, об/мин.;
f – частота напряжения, приложенного к электродвигателю, Гц;
р – число пар полюсов обмотки статора.
Как следует из (9.14) обороты ротора можно регулировать изменением
числа пар полюсов обмотки статора (ступенчато), и изменением частоты
напряжения в сети (плавно).
При переключении обмотки на другое число пар полюсов при
сохранении мощности на валу двигателя изменяется момент (рисунок 9.4).
2
1
3
Обороты
Момент
Рисунок 9.4. Изменение механической характеристики при изменении числа
пар полюсов
1
2 3
4
1
2
3
4
1
1
2
3
4
1
2
3
4
143
1 – число пар полюсов р = 1, 2 – число пар полюсов р = 2, 3 – момент
сопротивления
Таким образом, при ступенчатом изменении момента сопротивления
можно путем изменения числа пар полюсов соответствующим образом
изменять механическую характеристику электродвигателя, сохраняя
максимальный к.п.д. Такое регулирование типично для вентиляторов
производственных помещений при сезонном регулировании подачи
вентилятора.
Регулирование путем изменения числа пар полюсов имеет массу
недостатков. Во-первых, регулирование ступенчатое, и не всегда
соответствует даже ступенчатому изменению момента сопротивления
рабочей машины. Во-вторых, система управления электроприводом
становится громоздкой, включающей большое количество коммутирующих
устройств. Особенно это характерно для трехскоростных электродвигателей.
В-третьих, полюсопереключаемые обмотки сложны в изготовлении и
ненадежны в эксплуатации. Наличие этих недостатков обусловливает
современное состояние использования многоскоростных электродвигателей
– выпуск многоскоростных электродвигателей отстает от предложений в
сотни раз.
Регулирование путем изменения частоты напряжения сети позволяет
получить плавное регулирование механической характеристики. Для
изменения частоты обычно применяют широтно-импульсные модуляторы
(ШИМ-устройства). ШИМ-модулирование позволяет изменять частоту
питающего напряжения, и тем самым изменять обороты ротора.
Кроме изменения частоты регулировать момент асинхронного
электродвигателя можно изменением напряжения. Эта возможность
обусловлена зависимостью момента электродвигателя от квадрата
приложенного напряжения. На рисунке 9.5 показаны механические
1
2 3
4
1
2
3
4
1
1
2
3
4
1
2
3
4
144
характеристики электродвигателя при номинальном и пониженном
напряжении.
Недостатками такого способа регулирования является возможность
"опрокидывания" элекропривода.
Кроме регулирования механических характеристик электропривода
повышению эффективности использования электроэнергии способствует
повышение коэффициента мощности асинхронного электродвигателя.
Повышение cosφ достигается так же, как и в электрических сетях,
включением компенсирующих емкостей. Достоинства и недостатки при этом
аналогичны достоинствам и недостаткам для электрических сетей, но
регулирование емкости и мощности здесь обеспечиваются с меньшими
трудностями. Кроме того, отключенные конденсаторы могут разряжаться на
статорную обмотку электродвигателя.
3
2
1
Обороты
Момент
Рисунок 9.5. Механические характеристики при изменении питающего
напряжения
1 – механическая характеристика при номинальном напряжении, 2 -
механическая характеристика при напряжении 0,8 U
НОМ
, 3 – механическая
характеристика рабочей машины.
1
2 3
4
1
2
3
4
1
1
2
3
4
1
2
3
4
145
9.3. Энергосбережение
в электронагревательных установках
Электронагревательные установки не нуждаются в повышении к.п.д.,
так как практически вся подведенная энергия идет на нагрев, а значит,
превращается в полезную энергию. Однако имеет значение, как полученное
тепло используется. С точки зрения использования полученной от
электронагревателя теплоты имеются достаточно большие резервы, которые
пока не имеют широкого внедрения. Рассмотрим эти резервы.
Наиболее признанным способом повышения эффективности
электронагревателей является их включение в часы провала электрической
нагрузки и отключение в часы пиковых нагрузок. В этом случае график
нагрузки становится более стабильным, что положительно сказывается на
эксплуатационном коэффициенте полезного действия силовых
трансформаторов (см. 9.1).
Такой режим работы электронагревателя в свою очередь требует
аккумулирования теплоты. По этой причине нагревательные элементы
заливают бетоном (электронагреватели для животноводческих и других
сельскохозяйственных помещений) или помещают в маслонаполненный бак
(бытовые электронагреватели). Массивный наполнитель является хорошим
аккумулятором теплоты, которую можно запасти в следующем количестве:
Q
AK
= c m ΔТ (9.15)
где Q
AK
– теплота, запасенная в аккумуляторе, Дж.;
c – теплоемкость аккумулирующего материала, Дж/кг.К;
m – масса аккумулирующего материала, кг;
ΔТ – разность температур между нагретым аккумулятором и
окружающей средой, К.
1
2 3
4
1
2
3
4
1
1
2
3
4
1
2
3
4
146
Обычно требуется температура выше температуры окружающей среды,
в этом случае полезная теплота аккумулятора несколько меньше запасенной
теплоты.
Недостатком такого теплового аккумулятора является то, что
температура аккумулирующего материала начинает уменьшаться сразу же
после отключения электроэнергии. Это значительно сужает временные
интервалы его работы и отключения и снижает эффективность
использования электроэнергии.
Гораздо эффективнее применять тепловые аккумуляторы с
материалом, который в диапазоне требуемых температур претерпевает
фазовые превращения. В этом случае теплота, подведенная к аккумулятору,
расходуется следующим образом:
Q
AK
= c m ΔТ + λm (9.16)
где λ – коэффициент фазового превращения, Дж/кг.
После достижения температуры фазового перехода, например,
плавления, подведенная теплота расходуется на фазовое превращение
аккумулирующего вещества, и температура аккумулятора не растет. Если
теплоту подводить до полного расплавления аккумулирующего вещества, а
затем прекратить ее подачу (отключить электронагреватель), то температура
на поверхности аккумулятора будет оставаться постоянной до тех пор, пока
аккумулирующее вещество полностью не кристаллизуется. Очевидно, что
аккумулятор с фазовым переходом имеет гораздо бóльшие возможности
использования провалов и пиков электрической нагрузки.
Наряду с описанным направлением энергосбережения в
электронагревательных установках не потеряли актуальности и вопросы
теплоизоляции обогреваемого пространства, автоматического регулирования
температуры, использования для обогрева помещений отводимого тепла.
1
2 3
4
1
2
3
4
1
1
2
3
4
1
2
3
4
147
9.4. Энергосбережение в системах
освещения
Системы освещения потребляют около 10% всей электроэнергии в
промышленности, и более 50% всей электроэнергии в быту. В этой связи
энергосбережению в системах освещения следует придавать большое
значение.
В настоящее время в области производства энергосберегающих
источников света сделан настоящий прорыв, обеспечивающий снижение
потребляемой электроэнергии в несколько раз. Так современные
газонаполненные лампы создают световой поток при потребляемой
мощности в 5 – 6 раз меньшей, чем лампы накаливания. Современные
светодиоды способны создавать световой поток, достаточный для систем
дежурного освещения, освещения тамбуров, коридоров, проходов и т.п. При
этом потребление электроэнергии по сравнению с лампами накаливания в
десятки раз меньше.
На фоне появления энергосберегающих осветительных приборов
актуальность дальнейших поисков путей повышения эффективности
осветительных сетей несколько снижается, однако, все еще может быть
эффективным автоматическое управление системами освещения в функции
времени, в зависимости от наличия работников в помещении, в зависимости
от уровня естественной освещенности и т.п. При этом можно включать или
отключать группы осветительных приборов, или регулировать потребляемую
мощность путем изменения напряжения.
1
2 3
4
1
2
3
4
1
1
2
3
4
1
2
3
4
148
Глава 10. Использование возобновляемых источников энергии
в целях энергосбережения
На небольших объектах значительного энергосбережения можно
добиться за счет применения возобновляемых источников энергии. Наиболее
приспособленными возобновляемыми источниками энергии являются
Солнце, ветер и биотопливо
24
. Рассмотрим методические положения
практического применения этих источников.
10.1. Автономные солнечные
электростанции
Задачу использования солнечной электростанции для автономного
электроснабжения небольших потребителей можно сформулировать
следующим образом: необходимо обеспечить электроснабжение
потребителя, имеющего случайный график нагрузок, от источника энергии
24
- известны и применяются и другие возобновляемые источники энергии, однако их
применение пока ограничено
1
2 3
4
1
2
3
4
1
1
2
3
4
1
2
3
4
149