Способы улучшения нергетических показателей потребителей электроэнергии на собственные нужды электростанции
Сравнительный анализ энергетических показателей нерегулируемых и частотноуправляемых асинхронных двигателей показал, что использование частотноуправляемых двигателей в приводах с переменной нагрузкой на валу позволяет существенно повысить энергетическую эффективность асинхронных двигателей, как осно...
Збережено в:
| Дата: | 2010 |
|---|---|
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
2010
|
| Назва видання: | Електротехніка і електромеханіка |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/143306 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Способы улучшения нергетических показателей потребителей электроэнергии на собственные нужды электростанции / Г.К. Вороновский, И.В. Орловский, Е.Е. Гончарова // Електротехніка і електромеханіка. — 2010. — № 1. — С. 52-54. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-143306 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1433062018-10-29T01:23:18Z Способы улучшения нергетических показателей потребителей электроэнергии на собственные нужды электростанции Вороновский, Г.К. Орловский, И.В. Гончарова, Е.Е. Електричні станції Сравнительный анализ энергетических показателей нерегулируемых и частотноуправляемых асинхронных двигателей показал, что использование частотноуправляемых двигателей в приводах с переменной нагрузкой на валу позволяет существенно повысить энергетическую эффективность асинхронных двигателей, как основных потребителей электроэнергии на собственные нужды электростанций Comparative analysis of power performance of noncontrolled and frequency-controlled asynchronous motors shows that frequency-controlled asynchronous motors application in shaftvariable-load drives allows substantial increase in power efficiency of the asynchronous motors as the basic electric power users on power-stations own needs. 2010 Article Способы улучшения нергетических показателей потребителей электроэнергии на собственные нужды электростанции / Г.К. Вороновский, И.В. Орловский, Е.Е. Гончарова // Електротехніка і електромеханіка. — 2010. — № 1. — С. 52-54. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 2074-272X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/143306 621.317 ru Електротехніка і електромеханіка Інститут технічних проблем магнетизму НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Електричні станції Електричні станції |
| spellingShingle |
Електричні станції Електричні станції Вороновский, Г.К. Орловский, И.В. Гончарова, Е.Е. Способы улучшения нергетических показателей потребителей электроэнергии на собственные нужды электростанции Електротехніка і електромеханіка |
| description |
Сравнительный анализ энергетических показателей нерегулируемых и частотноуправляемых асинхронных двигателей показал, что использование частотноуправляемых двигателей в приводах с переменной нагрузкой на валу позволяет существенно повысить энергетическую эффективность асинхронных двигателей, как основных потребителей электроэнергии на собственные нужды электростанций |
| format |
Article |
| author |
Вороновский, Г.К. Орловский, И.В. Гончарова, Е.Е. |
| author_facet |
Вороновский, Г.К. Орловский, И.В. Гончарова, Е.Е. |
| author_sort |
Вороновский, Г.К. |
| title |
Способы улучшения нергетических показателей потребителей электроэнергии на собственные нужды электростанции |
| title_short |
Способы улучшения нергетических показателей потребителей электроэнергии на собственные нужды электростанции |
| title_full |
Способы улучшения нергетических показателей потребителей электроэнергии на собственные нужды электростанции |
| title_fullStr |
Способы улучшения нергетических показателей потребителей электроэнергии на собственные нужды электростанции |
| title_full_unstemmed |
Способы улучшения нергетических показателей потребителей электроэнергии на собственные нужды электростанции |
| title_sort |
способы улучшения нергетических показателей потребителей электроэнергии на собственные нужды электростанции |
| publisher |
Інститут технічних проблем магнетизму НАН України |
| publishDate |
2010 |
| topic_facet |
Електричні станції |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/143306 |
| citation_txt |
Способы улучшения нергетических показателей потребителей электроэнергии на собственные нужды электростанции / Г.К. Вороновский, И.В. Орловский, Е.Е. Гончарова // Електротехніка і електромеханіка. — 2010. — № 1. — С. 52-54. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
| series |
Електротехніка і електромеханіка |
| work_keys_str_mv |
AT voronovskijgk sposobyulučšeniânergetičeskihpokazatelejpotrebitelejélektroénergiinasobstvennyenuždyélektrostancii AT orlovskijiv sposobyulučšeniânergetičeskihpokazatelejpotrebitelejélektroénergiinasobstvennyenuždyélektrostancii AT gončarovaee sposobyulučšeniânergetičeskihpokazatelejpotrebitelejélektroénergiinasobstvennyenuždyélektrostancii |
| first_indexed |
2025-07-10T16:52:29Z |
| last_indexed |
2025-07-10T16:52:29Z |
| _version_ |
1837279585967800320 |
| fulltext |
Електричні станції
52 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2010. №1
УДК 621.317
Г.К. Вороновский, И.В. Орловский, Е.Е. Гончарова
СПОСОБЫ УЛУЧШЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ
ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ НА СОБСТВЕННЫЕ НУЖДЫ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
Порівняльний аналіз енергетичних показників нерегульованих і частотнокерованих синхронних двигунів показав, що
використання частотнокерованих двигунів у приводах зі змінним навантаженням на валу дозволяє істотно підви-
щити енергетичну ефективність асинхронних двигунів, як основних споживачів електроенергії на власні потреби
електростанцій
Сравнительный анализ энергетических показателей нерегулируемых и частотноуправляемых асинхронных двигате-
лей показал, что использование частотноуправляемых двигателей в приводах с переменной нагрузкой на валу позволя-
ет существенно повысить энергетическую эффективность асинхронных двигателей, как основных потребителей
электроэнергии на собственные нужды электростанций
Основными потребителями электроэнергии на
собственные нужды электростанций являются асин-
хронные двигатели, используемые для привода вен-
тиляторов, насосов холодной и горячей воды. Харак-
терной особенность их работы является неравномер-
ность нагрузки, что обусловлено технологическими
причинами производства электрической энергии на
электрической станции. Уменьшение нагрузки от но-
минальной приводит к ухудшению энергетических
показателей асинхронных двигателей: коэффициента
полезного действия (КПД) и коэффициента мощности
cosφ. По данным [1] уменьшение нагрузки в 2 раза
приводит к снижению КПД на 3-4 % и cosφ на 20-22
%; при уменьшении нагрузки в 4 раза снижение со-
ставляет 13-16 % и 37-45 % соответственно.
В настоящее время разработан ряд мероприятий
по улучшению энергетических показателей асин-
хронных двигателей при их нагрузках ниже номи-
нальной:
1. Понижение рабочего напряжения двигателей (пе-
реключение схемы обмотки статора).
2. Секционирование статорных обмоток двигателей.
3. Ограничение времени работы двигателей на холо-
стом ходу с помощью автоматических ограничителей.
4. Замена мало загруженных двигателей двигателями
меньшей номинальной мощности.
Однако, наиболее радикальным мероприятием,
обеспечивающим улучшение рабочих свойств асин-
хронных двигателей, работающих при широком из-
менении нагрузки, является замена нерегулируемых
двигателей на частотноуправляемые, питаемые от
статических преобразователей частоты. Наиболее эф-
фективна такая замена в приводах с вентиляторной
нагрузкой, к которым на тепловых электростанциях
относятся центробежные насосы, вентиляторы, возду-
ходувки и т.п. Использование приводов на базе час-
тотноуправляемых асинхронных двигателей сущест-
венно снижает потребление электроэнергии на собст-
венные нужды, увеличивает срок службы электрообо-
рудования и трубопроводов за счет отсутствия боль-
ших пусковых токов и гидравлических ударов. Уста-
новлено, что при замене нерегулируемого привода
дутьевого вентилятора на частотноуправляемый при-
вод, экономия электроэнергии составляет 50 %, оку-
паемость – 12 месяцев работы.
В статье предлагается методика расчета энерге-
тических показателей частотноуправляемых асин-
хронных двигателей.
При вентиляторном характере нагрузки исполь-
зуется квадратичный закон регулирования [2] (регу-
лирование "вниз" от номинальной частоты вращения):
( )2
н11н11 ffUU = , (1)
или в относительных единицах: γ = α2, где γ = U1 / U1н
– относительное напряжение; α = f1 / f1н – коэффици-
ент регулирования.
Тогда приложенное к двигателю напряжение из-
меняется в процессе регулирования по закону:
2
н1н11 α⋅=γ⋅= UUU . (2)
При регулировании по этому закону коэффици-
ент мощности, КПД и перегрузочная способность
двигателя остаются постоянными при уменьшении
частоты питания вплоть до половины номинальной.
Энергетические показатели определяются в ходе рас-
чета рабочих характеристик двигателя. Основные со-
отношения, необходимые для расчета рабочих харак-
теристик могут быть получены с использованием
Т-образной схемы замещения [2], однако, в этом слу-
чае не учитывается активное сопротивление ветви
намагничивания, т.е. активная составляющая тока
холостого хода, эффект вытеснения тока, а характери-
стика намагничивания представляется кусочно-
непрерывной. При этом расчетные выражения весьма
громоздки, что затрудняет анализ процессов в частот-
ноуправляемом двигателе. Значительно удобней ис-
пользовать Г-образную схему замещения с независи-
мыми контурами [3], приведенную на рис. 1.
Рис. 1. Г-образная схема замещения
частотноуправляемого асинхронного двигателя
С помощью Г-образной схемы замещения опре-
деляются токи контуров, потери, энергетические по-
казатели и моменты двигателя. Полное сопротивление
рабочего контура:
( )2'
211
2
2
'
2111 xcxrcrcZk ⋅+⋅α+⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
β
α⋅⋅+⋅=β , (3)
где c1 = 1 + x0 / x1 – коэффициент коррекции парамет-
ров при переходе от Т-образной к Г-образной схеме
замещения; x1 – индуктивное сопротивление обмотки
статора при f1 = f1н; x2' – индуктивное сопротивление
обмотки ротора (приведенное) при f1 = f1н; x0 – глав-
ное индуктивное сопротивление двигателя при f1 = f1н;
ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2010. №1 53
r1 – активное сопротивление обмотки статора; r2' –
активное сопротивление обмотки ротора (приведен-
ное); r0 – фиктивное активное сопротивление, введен-
ное в схему замещения для учета магнитных потерь;
β = f2 / f1н – абсолютное скольжение ротора, при этом
относительное скольжение S = β / α.
Здесь и в дальнейшем при каждом значении α
задаются рядом значение β в пределах 0 < β < βкр, где:
( )2'
2112
2
1
'
21
кр
xcx
r
rc
⋅++
α
⋅=β . (4)
При использовании Г-образной схемы замеще-
ния магнитный поток двигателя не зависит от пара-
метров рабочего контура, а определяется только зако-
ном изменения частоты и напряжения. При квадра-
тичном законе регулирования γ = α2, магнитный по-
ток зависит от частоты питающего напряжения:
1н
1н
1ноб11
1н
1
44,4
Ф
fc
U
fКW
U
⋅
α⋅=
α⋅⋅⋅⋅
γ⋅= , (5)
где с = 4,44·W1·Коб1.
При регулировании частоты вращения Ω двига-
теля "вниз" от номинальной (при f1 = f1н) магнитный
поток уменьшается и можно считать магнитную сис-
тему ненасыщенной, поэтому реактивная составляю-
щая тока холостого хода прямо пропорциональна
магнитному потоку. Из (5) следует:
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
α
γ⋅= ОРНОР II ,
где IОРН – реактивная составляющая тока холостого
хода при номинальных напряжении и частоте.
Реактивная и активная составляющие тока стато-
ра, определяемые их схемы замещения:
( )
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
⋅+⋅α⋅⋅+
α
⋅γ=
=ϕ⋅+=
β
'
21112
н1ОРН
2
''
2ОРР1 sin
xcxc
Z
UI
III
k
, (6)
где sinφ2 =
( )
β
⋅+⋅α⋅
kZ
xcxc '
2111 ; φ2 – угол между U1 и I2
''.
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
β
α⋅+⋅γ⋅+=ϕ+=
β
'
21112
1н
oa2
''
2oа1a cos rcrc
Z
U
IIII
k
, (7)
где cosφ2 =
β
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
β
α⋅⋅+⋅
kZ
rcrc '
2111
.
Активная составляющая тока холостого хода Iоа
определяется суммой потерь двигателя холостого хода:
∑ ++=
мехмагэл10о
РРРР , (8)
где Pэл10 – электрические потери в обмотке статора от
тока холостого хода (Iо ≈ Iор); Pмаг – магнитные потери
в сердечнике статора; Pмех – механические потери.
Электрические потери в обмотке статора:
11
2
2
OPH1эл10 tmrImР ⋅⋅⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
α
γ⋅⋅= , (9)
где mt1 – температурный коэффициент, зависящий от
класса нагревостойкости изоляции обмотки статора.
Магнитные потери в сердечнике статора:
( )2
магмаг
Н
+α⋅= п
РР , (10)
где Pмагн – магнитные потери при номинальных зна-
чениях частоты f1 и напряжения U1; n = 1,3-1,6 – ко-
эффициент, зависящий от марки электротехнической
стали сердечника.
Механические потери можно определить из вы-
ражения [4]:
к
РР α⋅=
Н
мехмех
, (11)
где Pмехн – механические потери при номинальной
частоте вращения двигателя; к = 1-1,5 – коэффициент,
определяемый габаритами двигателя и конструкцией
подшипниковых узлов.
Активная составляющая тока холостого хода:
γ⋅⋅
= ∑
1н1
0
oa Um
P
I . (12)
Полный ток статора:
2
1P
2
1a1 II +=I . (13)
Коэффициент мощности двигателя:
1
1аcos
I
I=ϕ (14)
Подведенная к двигателю активная мощность:
1a1н11 IUmР ⋅γ⋅⋅= . (15)
Полные потери в двигателе:
∑ ++++= добмехмаг2элэл1 РРРРРР . (16)
Электрические потери в обмотке статора:
11
2
11эл1 tmrImР ⋅⋅⋅= . (17)
Электрические потери в обмотке ротора:
2
'
2
2
1н
1эл2 t
k
mr
Z
U
mP ⋅⋅
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛ γ⋅⋅=
β
, (18)
где mt2 – температурный коэффициент, зависящий от
температуры нагрева обмотки ротора.
Потери магнитные и механические определяются
по выражениям (10) – (11). Добавочные потери при
синусоидальной форме питающего напряжения при-
нимаются в среднем 1 % потребляемой двигателем
мощности [2].
Если форма питающего напряжения ступенчатая,
что характерно для АИН без ШИМ, то возникают до-
бавочные магнитные и электрические потери от выс-
ших гармоник напряжения [1].
При расчете добавочных электрических потерь
необходимо учитывать уменьшение индуктивного
сопротивления рассеяния ротора и увеличение актив-
ного сопротивления обмоток ротора за счет эффекта
вытеснения тока [5].
Величина полезной мощности:
∑−= РРР 12 . (19)
Коэффициент полезного действия:
1
2
Р
Р=η . (20)
Электромагнитный момент двигателя в соответ-
ствии с [3] при номинальных U1 и f1:
2
1н
'
2
2
н11
1
эл2
2 β⋅⋅⋅π⋅
⋅⋅⋅=
⋅Ω
=
kZSf
rUmр
S
P
M . (21)
где Zkβ определяется по выражению (3), если α = 1, то
относительное скольжение S равно абсолютному
скольжению β.
Для частотноуправляемого двигателя электро-
магнитный момент:
54 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2010. №1
( )
2
1н
'
2
2
н11
2 β⋅β⋅⋅π⋅
⋅γ⋅⋅⋅=
kZf
rUmр
M , (22)
где p – число пар полюсов обмотки статора.
Полезный момент на валу двигателя:
( )β−α⋅Ω
=
1н
2
2
P
M , (23)
где Ω1н = 2·π·f1н / p.
Приведенная методика была использована для
расчета рабочих характеристик асинхронного двига-
теля АН4 – 17-45-10 (номинальные данные: P2 = 1600
кВт, U1л = 6000 В, синхронная частота вращения n1 =
600 об/мин).
Расчет рабочих характеристик, включая коэффи-
циент мощности и коэффициент полезного действия
проводился для нерегулируемого двигателя при пере-
менной нагрузке и его же, как частотноуправляемого
при том же диапазоне изменения нагрузки на валу и
квадратичном законе регулирования. Зависимость
cosφ = f(P2), η = f(P2), Кэн = η·cosφ = f(P2) для нерегу-
лируемого двигателя приведена на рис. 2.
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
ϕ
η
cos K
P , o.e.
, cos , K ϕ
2
эн
эн
Рис. 2. Зависимости нерегулируемого двигателя
Характеристики частотноуправляемого двигате-
ля рассчитывались в диапазоне изменения коэффици-
ента регулирования α = 1,0-0,4 при постоянном абсо-
лютном скольжении β = 0,008, что соответствует зна-
чению относительного скольжения S в режиме номи-
нальной нагрузки и α = 1. Характеристики в зависи-
мости от коэффициента регулирования α приведены
на рис. 3 в относительных единицах.
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
K
m К =f(P ) Р
эр
эн 2 2 2
α
K ,P ,m э 2 2
о.е.
Рис. 3. Зависимости частотноуправляемого двигателя
Расчетная кривая полезной мощности P2 = f(α)
представляет собой кубическую параболу P2 ≈ α3, а
полезного момента m2 = f(α) – квадратичную парабо-
лу (m2 ≈ α2), что соответствует работе двигателя в
режиме вентиляторной нагрузки. Там же приведена
зависимость энергетического коэффициента частот-
ноуправляемого двигателя Кэр = f(α) и зависимость
энергетического коэффициента нерегулируемого дви-
гателя Кэн = f(P2) (перестроена с рис. 2).
Анализ результатов расчета показывает, что из-
менение частоты питающего напряжения f1 = f1н·α при
квадратичном законе регулирования γ = α2 приводит к
изменению полезной мощности на валу, а значит к
изменению энергетического коэффициента Кэр. Одна-
ко, в диапазоне принятого изменения коэффициента
регулирования α, изменение Кэр происходит в не-
больших пределах (Кэр = 0,785 при α = 0,4 и Кэр = 0,84
при α = 1,0). Изменение энергетического коэффици-
ента нерегулируемого двигателя Кэн = f(P2) при изме-
нении нагрузки на валу весьма значительно и при ма-
лых мощностях Кэн резко уменьшается, как показано
на рис. 2. Сравнение значений Кэн и Кэр при одинако-
вой полезной мощности двигателя требуют дополни-
тельного построения (показано пунктиром на рис. 3).
По заданной P2, используя P2 = f(α) определяем Кэр из
кривой Кэр = f(α) и Кэн из кривой Кэн = f(P2). Напри-
мер, для низшей ступени полезной мощности
P2 = 0,4 о.е. для энергетических коэффициентов полу-
чим Кэр = 0,83 и Кэн = 0,66 соответственно, т.е. энерге-
тический коэффициент увеличился на 25,7 % от сво-
его значения для нерегулируемого двигателя.
Предложенная методика расчета рабочих харак-
теристик частотноуправляемых асинхронных двига-
телей позволяет определить их энергетические пока-
затели, а сравнительный анализ энергетических пока-
зателей нерегулируемых и частотноуправляемых
асинхронных двигателей показал, что использование
частотноуправляемых двигателей в приводах с пере-
менной нагрузкой на валу позволяет существенно
повысить энергетическую эффективность асинхрон-
ных двигателей, как основных потребителей электро-
энергии на собственные нужды электростанции.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Радин В.И., Брускин Д.Э., Зорохович А.Е. Электриче-
ские 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 А.Э. Кравчика. – М.: Энергия, 1980. – 488 с.
Поступила 22.09.2009
Вороновский Геннадий Кириллович, д.т.н.
член-корреспондент НАН Украины
Орловский Игорь Викторович
Гончарова Екатерина Евгеньевна
Нацинальный технический университет
"Харьковский политехнический институт"
Украина, 61002, Харьков, ул. Фрунзе, 21
НТУ "ХПИ", кафедра "Электрические станции"
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 fre-
quency-controlled asynchronous motors application in shaf-
tvariable-load drives allows substantial increase in power effi-
ciency 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
|