Энергосберегающий электропривод на основе асинхронного двигателя с индивидуальной компенсацией реактивной мощности тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, доктор технических наук Мугалимов, Риф Гарифович

• Мугалимов, Риф Гарифович
• доктор технических наук
• 2011

Оглавление диссертации доктор технических наук Мугалимов, Риф Гарифович

Введение.

Глава 1. Анализ показателей энергоэффективности традиционных асинхронных двигателей и электроприводов промышленных установок,созданных на их основе

1.1 [Традиционный асинхронный двигатель как преобразователь электрической энергии в механическую.

1.1.1 Конструктивные элементы традиционной асинхронной машины.

1.1.2 Критерии и методика проектирования традиционных асинхронных двигателей.

1.1.3 Показатели энергоэффективности традиционных асинхронных двигателей

1.1.4 Анализ парка традиционных асинхронных двигателей промышленных предприятий.

1.2 . Математические модели и характеристики электроприводов на основе традиционных асинхронных двигателей.

1.2.1 Статические модели электроприводов на основе традиционных асинхронных двигателей.

1.2.2 Динамические модели традиционных асинхронных двигателей.

1.3 Анализ энергоэффективности систем электроприводов промышленных установок на основе применения традиционных асинхронных двигателей.

1.3.1 Система электроприводов на основе асинхронных двигателей с фазным ротором с релейно-контакторной схемой управления.

1.3.2 Системы асинхронных электроприводов ПЧ-АД.

1.3.3 Система электроприводов на основе асинхронных двигателей с ТРН,ТПН.

1.3.4 Система электроприводов на основе асинхронных двигателей с фазным ротором синхронизированных с сетью.

1.4 Анализ технических решений по повышению показателей энергоэффективности традиционных асинхронных двигателей и электроприводов на их основе.

1.4.1 Обзор технических решений по повышению КПД традиционных асинхронных двигателей.

1.4.2 Обзор технических решений по повышению коэффициента мощности асинхронных двигателей.

1.5 Обоснование концепции, задач диссертационной работы и методик исследования

Глава 2. Разработка новых асинхронных электродвигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности.

2.1 ; Новые конструктивные решения в асинхронных электродвигателях при индивидуальной компенсации реактивной мощности.

2.1.1 Обоснование возможности компенсации реактивного индуктивного тока и реактивной мощности в асинхронном двигателе с двумя обмотками на статоре.

2.1.2 Электромагнитные схемы асинхронного двигателя с индивидуальной компенсацией реактивной мощности.

2.2 I Разработка схемы замещения асинхронного двигателя с индивидуальной компенсацией реактивной мощности.

2.3 .Обоснование методики расчета линейной токовой и тепловой нагрузок статора асинхронного двигателя с индивидуальной компенсацией реактивной мощности.

2.4 ! Определение технически рационального соотношения параметров намагничивающей ветви и компенсационной обмотки в асинхронном двигателе с индивидуальной компенсацией реактивной мощности.

2.5 Расчет емкости компенсирующего конденсатора для асинхронного двигателя с индивидуальной компенсацией реактивной мощности.

Глава 3. Создание методики проектирования, технологии изготовления и экспериментальных исследований асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности.

3.1 Обоснование критериев, разработка алгоритма и методики электромагнитного расчета асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности.

3.2 ¡Разработка алгоритма и методики расчета обмоточных данных, асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности при их создании путем реконструкции традиционных асинхронных двигателей.

3.3 Особенности технологии создания асинхронных двигателей с индивидуальной » компенсацией реактивной мощности.

3.4 і Разработка методики испытаний создаваемых асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности.

Глава 4. Разработки математических моделей для оценки статических и динамических характеристик асинхронных двигателеи с индивидуальной компенсацией реактивной мощности.

4.1 ¡Разработки математических моделей для оценки статических характеристик асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности.

4.2 Разработка математических моделей для оценки динамических характеристик асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности

4.3 Разработка математических моделей для оценки статических и динамических тепловых режимов асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности.

4.4 і Исследование характеристик асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности методом математического моделирования.

4.5 1 Экспериментальные исследования характеристик асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности.V.

4.6 Разработка методики и алгоритма моделирования показателей энергоэффективности электроприводов промышленных установок, созданных на основе применения ТАД и АД с ИКРМ.

Глава 5. Создание и исследование нерегулируемых электроприводов промышленных установок на основе асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности.

5.1 ¡Повышение энергоэффективности электропривода нефтяного станка-качалки путем применения асинхронного двигателя с индивидуальной компенсацией реактивной мощности.

5.1.1 Разработка АД с ИКРМ для электропривода нефтяного станка-качалки.

5.1.2 Экспериментальные исследования энергосберегающего асинхронного двигателя с индивидуальной компенсацией реактивной мощности нерегулируемого электропривода нефтяного станка-качалки.

5.2 Повышение энергоэффективности электропривода вентилятора градирни путем применения асинхронного двигателя с индивидуальной компенсацией реактивной мощности.

5.2.1 Результаты электромагнитного расчета энергосберегающего асинхронного двигателя с индивидуальной компенсацией реактивной мощности для электроприводов вентиляторов градирни.

5.2.2 Экспериментальные исследования энергосберегающего асинхронного двигателя с индивидуальной компенсацией реактивной мощности для электроприводов вентиляторов градирни.

5.3 Повышение энергоэффективности нерегулируемого электропривода насосного агрегата путем применения асинхронного двигателя с индивидуальной компенсацией реактивной мопщости.

5.3.1. Разработка математического описания установившихся режимов нагрузок и электропотребления электроприводов насосных агрегатов на основе применения АД с ИКРМ иТАД.

5.3.2 Моделирование режимов электропотребления асинхронных электроприводов насосных агрегатов. Анализ результатов моделирования.

5.3.3 Разработка и создание экспериментальных электроприводов на основе АД с

ИКРМ и ТАД насосного агрегата.

Глава 6. Создание и исследование регулируемых электроприводов промышленных установок на основе асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности.

6.1 .Повышение энергоэффективности регулируемого электропривода насосного агрегата по системе «ПЧ-АД с ИКРМ».

6.2 і Повышение энергоэффективности электроприводов волочильных станов путем применения асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности.

6.2.1 Исследование потерь электроэнергии в системе электроснабжения волочильного производства.

6.2.2 Разработка и исследование асинхронного двигателя с индивидуальной компенсацией реактивной мощности для электропривода волочильного стана.

6.2.3 Экспериментальные исследования электроприводов на основе АД с ИКРМ при;холостом ходе волочильного стана.

Глава; 7. Экономическая эффективность электроприводов промышленных установок, созданных на основе асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Энергосберегающий электропривод на основе асинхронного двигателя с индивидуальной компенсацией реактивной мощности»

Актуальность темы. Эффективное использование энергоресурсов и в первую 1 очередь электрической энергии является одним из приоритетных направлений развития современной мировой экономики. В Российской Федерации наблюдаются i непрерывный рост потребления невосполнимых углеводородных энергоресурсов и I увеличение стоимости электрической энергии, производимой на их основе. Только j за период 2000-2010 г.г. стоимость электрической энергии возросла в четыре раза. Это обостряет проблему энергосбережения, поскольку доля стоимости электроэнергии в стоимости товарного продукта возрастает, что ведет к снижению конкурентной способности товарного продукта и темпа экономического развития страны. I

На эффективное электропотребление направлены Федеральный закон 261-ФЗ от 23.11.2009 г. «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности.» и Государственная программа Российской Федерации «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2020 года», предусматривающая при росте объемов производства товарной продукции снижение энергоемкости до 20% [1, 2].

Во всех отраслях промышленности, в сельском хозяйстве для вращения рабочих машин и механизмов используются электроприводы, созданные на основе применения традиционных асинхронных двигателей (ТАД), номинальным напряжением 220/380 В. Эти электродвигатели являются самыми массовыми потребителями электрической энергии. По экспертным оценкам на предприятиях РФ используются от 120 до 150 млн. единиц ТАД. Повсеместное применение ТАД обусловлено их высокой надежностью, сравнительно низкой стоимостью и приемлемыми эксплуатационными расходами. До 70% ТАД сосредоточено в энергоемких отраслях: горно-, нефте-, газодобывающей, металлургической, строительной и жилищно-коммунальном хозяйстве. Только в системах жизнеобеспечения городов России асинхронные электроприводы насосных агрегатов потребляют в год до 130 млрд. кВт-час электрической энергии. Например, на каждом крупном металлургическом предприятии, таком как ОАО «ММК» г. Магнитогорск), ОАО «НЛМК» (г. Липецк), ОАО «Северсталь» (г. Череповец), i установленная мощность ТАД напряжением 220/380, 380/660 В, мощностью от 1 до 100 кВт составляет от 70 до 120 МВт, в том числе, 30-40 МВт - электроприводы турбомеханизмов.

Асинхронными электроприводами потребляется 55-60% вырабатываемой в РФ электрической энергии. Главными показателями энергоэффективности j электроприводов на основе ТАД являются: потребляемый из электросети ток (Ii), электрический КПД (г|э), коэффициент МОЩНОСТИ (coscp), энергетический КПД (Пэн), расход электроэнергии на единицу выпускаемой продукции (wy - удельный расход).

Главным недостатком ТАД является невысокий coscp, который не превышает 0,8!

0,92. Для ТАД величина потребляемого тока на 25-40% определяется индуктивной реактивной и на 60-75% активной составляющими. Реактивная составляющая тока j возбуждает вращающееся магнитное поле двигателя. Энергия магнитного^ поля в f механическую энергию не преобразуется. В наилучших режимах работы ТАД, при электрическом КПД 80-92% и coscp=0,8-0,9, энергетический КПД составляет 64-83%. При неоптимальных нагрузках энергетический КПД снижается до 52-70%. Реактивный ток создает в системе электроснабжения и электроприводе падение напряжения, вызывает непроизводительные потери активной мощности. Даже при наилучших режимах работы ТАД теряется 9-16% (0,09-0,16 o.e.) электрической энергии из-за сравнительно низкого coscp, что снижает энергоэффективность электропривода.

Учитывая масштабы применения ТАД, их средний коэффициент загрузки (К3=0,75), коэффициент использования технологического оборудования (Ки=0,6), коэффициент потерь из-за реактивных токов (Kq=0,09-0,16), только по трем крупнейшим металлургическим комбинатам РФ, установленная мощность двигателей которых около 210-360 МВт, потери электрической энергии в год составляют 75-128 млн. кВт-час.

Одной из причин невысокого энергетического КПД ТАД является их конструктивная особенность — наличие электротехнической стали и катушек индуктивности обмоток электрической машины, а также проектирование и изготовление их по критерию минимума затрат, выгодной только для j производителя. При этом производитель полагает, что компенсацию реактивной мощности ТАД потребитель осуществит самостоятельно за счет эксплуатационных 1 затрат. Зарубежные фирмы (AEG, ABB) производят энергосберегающие ТАД, увеличивая массу активных материалов - меди и электротехнической стали. Однако t это ведет к существенному удорожанию двигателя. Из их опыта известно, что увеличение КПД на несколько процентов ведет к увеличению меди на 20-25%, алюминия на 10-15%, электротехнической стали на 30-35%. Увеличение электрического КПД ТАД сопровождается некоторым снижением его номинального г coscp. |В конечном итоге энергетический КПД увеличивается незначительно или t сохраняется на первоначальном уровне.

Вопросам повышения энергоэффективности электроприводов промышленных предприятий посвящены работы многих отечественных научных школ, а также известных ученых в области электромашиностроения, электроэнергетики и i энергопотребления. Наиболее значимые результаты в решении обозначенной проблемы достигнуты в Московском энергетическом институте (техническом университете) при активном участии Ильинского Н.Ф., Копылова И.П., Беспалова В.Я., Ключева В.И., Микитченко А.Я., Федорова A.A., Веникова В.А. и др. Большой вклад внесли ученые отраслевых промышленных институтов ВНИПИ «Тяжпромэлектропроект», ОАО «Электропривод», ОАО «НИПТИЭМ» научные школы Уральского федерального округа при участии Шубенко В.А., Браславского И.Я., Пластуна А.Т., Шрейнера А.Т., Зюзева A.M., Гафиятуллина Р.Х., ХохловаЮ.И., Усынина Ю.С., Селиванова И.А., Карандаева A.C., Сарварова A.C., Корнилова Г.П. и др.

Наиболее эффективным техническим мероприятием, обеспечивающим повышение энергетического КПД потребителей электрической энергии переменного тока, является компенсация реактивной мощности. На практике это реализуется I путем применения различных компенсаторов реактивной мощности (КРМ).

Директивные материалы правительства РФ регламентируют нормативное значение коэффициента мощности coscp=0,9. Однако эта величина достигается преимущественно в электросетях среднего и высокого напряжений (35-110 кВ). В низковольтных сетях напряжением 0,4 кВ, от которых питается до 60% ТАД, повышение соБ(р до приемлемого уровня известными способами экономически не всегда оправдано, поэтому, зачастую, не применяется.

В этой связи актуальным и практически значимым для развития экономики з страны является решение задач, направленных на повышение энергоэффективности 1 асинхронных электроприводов промышленных установок напряжением до 1000 В. X I

Решение проблемы ведется по следующим главным направлениям: совершенствование технологии и рабочих машин [3]; создание энергоэффективных электродвигателей; разработка современных микропроцессорных автоматизированных систем управления электроприводами с реализацией функции I энергосбережения; компенсация реактивной мощности индуктивного характера.

Направление исследования данной диссертационной работы определено путем комплексного объединения трех названных направлений решения проблемы энергоэффективности на основе концепции индивидуальной компенсации реактивной мощности электропотребителя на уровне его электромагнитной системы.

Работа выполнялась в рамках Федеральной Целевой Программы- «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы по теме: «Создание энергосберегающих систем транспортировки, распределения и потребления электрической энергии на металлургическом предприятии с полным технологическим циклом», № ГК № 02.740.11.0755 от 12.04.2010 и по грантам Минэкономразвития Челябинской области.

Цель работы - повышение энергетической эффективности электроприводов промышленных установок путем создания и применения асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности.

Для достижения цели, на основе системного анализа энергетических показателей асинхронных двигателей и электроприводов на их основе, с учетом главных причин, влияющих на показатели энергоэффективности, в работе поставлены и решены следующие задачи:

1.; Разработка новых асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности.

21 Создание методик проектирования, технологии изготовления и I экспериментальных исследований асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности (АД с ИКРМ).

3! Разработка математических моделей для оценки статических и динамических характеристик электроприводов на основе асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности.

4. Разработка методики и алгоритма расчета показателей энергоэффективности I регулируемых и нерегулируемых электроприводов на основе применения ТАД и АД с ИКРМ.

5; Создание и исследование нерегулируемых электроприводов промышленных установок на основе применения асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности.

61 Создание и исследование регулируемых электроприводов промышленных установок на основе асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности.

7; Оценка экономической эффективности электроприводов промышленных установок на основе применения АД с ИКРМ. Научная новизна работы

1. Научно обоснована и разработана концепция создания энергосберегающих электроприводов промышленных установок на основе асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности непосредственно в электромагнитной цепи статора за счет использования явления феррорезонанса токов.' В известной концепции компенсации реактивной мощности электропотребителей используется явление резонанса токов в электрических цепях системы электроснабжения.

2: Разработаны новые конструкция, электромагнитные и электрические схемы соединения обмоток статора асинхронного двигателя с индивидуальной компенсацией реактивной мощности, отличающиеся от конструкции, I электромагнитной и электрической схем соединения ТАД наличием двух т-фазных статорных обмоток, одна из которых, рабочая (РО), подключается к источнику электрической энергии, а другая, компенсационная (КО), - на ш-фазный компенсирующий конденсатор регламентированной емкости. Новая конструкция 1 асинхронного двигателя, в отличие от ТАД, предусматривает комбинационные варианты электрических схем соединения обмоток статора, конденсатора,

1 < источника электрической энергии и получение феррорезонанса токов в электромагнитной системе машины.

3! Теоретически обоснованы и получены: механические и электромеханические характеристики электропривода на основе АД с ИКРМ с двумя обмотками статора; электрическая схема замещения АД, с ИКРМ; новые зависимости, определяющие линейную токовую и тепловую нагрузки статора, содержащего две и более ш-фазные обмотки, отличающиеся от известных тем, что позволяют учитывать нагрузки от действия токов каждой ш-фазной обмотки; новые зависимости, определяющие величину емкости компенсирующего конденсатора в функции частоты тока и параметров обмоток статора, ротора и полезной мощности двигателя; рациональное соотношение реактивных сопротивлений' ветвей намагничивания АД с ИКРМ и ТАД, обеспечивающее максимальный энергетический КПД электропривода.

Разработаны методика расчета и проектирования электропривода на основе АД с ИКРМ, принципиальным отличием которой является алгоритм двухэтапного электромагнитного расчета асинхронного двигателя, с индивидуальной компенсацией реактивной мощности, адаптированная к известной методике расчета 1

ТАД, ¡отличающаяся тем, что после первого этапа, на котором осуществляется расчет по критерию минимальных затрат на создание электрической машины, на втором этапе осуществляется расчет по критерию получения максимального энергетического КПД. Особенностью второго этапа расчета является использование: новых теоретически обоснованных зависимостей для определения линейной токовой и тепловой нагрузок статора, емкости компенсирующего конденсатора, рационального соотношения реактивных сопротивлений ветвей намагничивания АД ! I I с ИКРМ и ТАД; новой электрической схемы замещения для расчета рабочих, механических характеристик и показателей энергоэффективности; новой I последовательности электромагнитного расчета. <

51 Получены зависимости для инженерных расчетов параметров РО, КО в функции параметров ТАД, разработаны методика и программа для ЭВМ, I обеспечивающие пересчет уже созданных ТАД с целью их модернизации на АД с

ИКРМ, отличающиеся тем, что для пересчета используются геометрические параметры имеющейся магнитной системы, обмоточные данные ТАД, а также 1 новые; зависимости, определяющие: линейную токовую и тепловую нагрузки статора, емкость компенсирующего конденсатора от параметров схемы замещения; рациональное соотношение реактивных сопротивлений ветвей намагничивания АД с ИКРМ и ТАД.

6; Разработаны математические модели, % адекватно описывающие 1 энергетические, электромеханические и тепловые характеристики электроприводов на основе АД с ИКРМ в статическом и динамическом режимах. В отличие от известных моделей, они учитывают конструктивные отличительные признаки компенсированного двигателя: параметры обмоток статора, ротора, компенсирующего конденсатора, а также режим нагрузки электропривода.

1\ Разработаны методика, алгоритм и программа для ЭВМ, рассчитывающие показатели энергоэффективности регулируемых и нерегулируемых электроприводов, отличающиеся от известных тем, что наряду с математическими моделями ТАД используются модели АД с ИКРМ, а также модели технологических машин и их нагрузок, позволяющие исследовать энергоэффективность электроприводов при различных величинах емкости компенсирующего конденсатора и электромагнитных схемах машины.

8: Разработаны способ и устройство для повышения энергоэффективности электропривода на основе АД с ИКРМ, отличающиеся тем, что ток компенсационной обмотки статора регулируется в функции тока рабочей обмотки либо ¡изменением величины емкости компенсирующего конденсатора, либо переключением электрических схем соединения обмоток статора и конденсатора, ! 13 либо | одновременным изменением емкости конденсатора и переключением электрических схем соединения обмоток статора и конденсатора. Практическая значимость работы

I »

1! Концепция индивидуальной компенсации реактивной мощности асинхронных двигателей, основанная на использовании феррорезонанса токов в электромагнитной цепи статора, позволяет эффективно использовать магнитную I систему и компенсирующий конденсатор для генерации реактивнои мощности I емкостного характера в самой электрической машине. В режиме феррорезонанса

I ! токов емкостный ток КО подмагничивает магнитную систему так, что индуктивный реактивный ток РО, потребляемый двигателем от источника электрической энергии (ИЭЭ), стремится к минимальному значению, а полный ток - к значению активного тока. При этом соБср увеличивается до единицы, энергетический КПД возрастает при нагрузке (0,75-4,0)Р2„ на 9-17%, при нагрузках (0,25-0,5)Р2н - на Т8-26%. Это приводит к снижению полного потребляемого тока и полной мощности на 8-15%, потерь активной электрической мощности в системах электропривода и электроснабжения на 6-9%, а также к уменьшению коэффициента загрузки силовых трансформаторов, повышению ресурса проводов, кабелей и пускорегулирующей 1 аппаратуры.

21 Новая конструкция асинхронного двигателя, содержащая две ш-фазные статорные обмотки и ш-фазный конденсатор, позволяет существенно увеличить число'вариантов электромагнитных схем двигателя и электроприводов, что дает возможность расширить области поиска и управления показателями энергоэффективности электротехнического комплекса. Если конструкция ТАД позволяет реально создать две известные схемы соединения («У» и «А»), то конструкция нового двигателя позволяет создать не менее восьми симметричных и около! 20 несимметричных вариантов электромагнитных схем. Это позволяет обеспечить 2-4-ступенчатый пуск двигателя с короткозамкнутым ротором, организовать энергосберегающие режимы электроприводов при работе технологических машин без нагрузки, или при загрузках значительно ниже I номинальной с генерацией реактивной мощности в электросеть. ' 14

Применение новых полученных зависимостей, определяющих величины: линейной токовой и тепловой нагрузок статора, емкости компенсирующего конденсатора, рационального соотношения реактивных сопротивлении ветвей намагничивания АД с ИКРМ и ТАД, а также электрической схемы замещения позволяет проектировать энергосберегающие двигатели, удовлетворяющие главным требованиям к электрическим машинам, в том числе, по допустимой токовой и тепловой нагрузкам активных элементов, а также по критериям эффективного использования электротехнической стали и емкости компенсирующего конденсатора.

4; Разработанные методика и алгоритм электромагнитного расчета АД с ИКРМ, по критерию минимума затрат на первом этапе, а на втором этапе - по критерию максимума энергетического КПД, позволяют создавать энергосберегающие асинхронные двигатели (ЭАД), обладающие cos(p=l,0 и энергетическим КПД 8093%, ¡что на 10-16% выше энергетических КПД ТАД (64-83%). Например, применение разработанной методики для создания нового двигателя типа АИРК71

В2УЗ позволило в условиях электромашиностроительного завода создать двигатель, i номинальный ток которого (1,89 А) на 22% меньше номинального тока ТАД-аналога (2,4А). Это, при практически одинаковых электрических КПД (80%), повысило его энергетический КПД на 17% (с 63 до 80%). Путем реконструкции ТАД на АД с ИКРМ в условиях электроремонтных предприятий создано более 150 энергосберегающих асинхронных электроприводов промышленных установок предприятий РФ (ОАО «Татнефть», ОАО «ММК-МЕТИЗ», ЖКХ и др.), позволивших уменьшить потери электрической энергии на 4-7%, что составляет 0,91,2 млн. кВт-час в год.

5: Разработанные методика, зависимости для инженерных расчетов и программа для ЭВМ применяются для пересчета заводских обмоточных данных ТАД при их реконструкции на АД с ИКРМ в электроремонтных цехах и участках предприятий (ОАО «Татнефть», ОАО «ММК-МЕТИЗ», ОАО «ММК», МУП

Электротранспорт», ЗАО «Горно-обогатительное производство» группы компаний 1

ОАО «ММК», МП трест «Водоканал» и др.). I 15

6. Разработанные математические модели энергетических, электромеханических и тепловых характеристик являются «инструментами», I позволяющими на этапе создания новых или реконструкции существующих ТАД получать ожидаемые показатели работы электроприводов в статических и динамических режимах и принимать обоснованные решения о целесообразности I реконструкции и вариантах ее проведения. I

7i Разработанные методика, алгоритм и программа для ЭВМ, рассчитывающие показатели энергоэффективности регулируемых и нерегулируемых электроприводов на основе применения ТАД и АД с ИКРМ, позволяют на этапе проектирования I исследовать энергоэффективность вариантов систем электроприводов при различных величинах емкости компенсирующего конденсатора и различных электромагнитных схемах машины.

81 Способ и устройство для повышения энергоэффективности электропривода f на основе АД с ИКРМ:, основанные на. регулировании* тока компенсационной обмотки в функции тока рабочей обмотки изменением величины емкости и схемы подключения обмоток статора и компенсирующего конденсатора позволяют, по сравнению с вариантом, где током компенсационной обмотки нерегулируемый, дополнительно повысить энергетический КПД электропривода на 8-15% в области нагрузок (0,25-0,5)Р2н и на 1,5-3% в области нагрузок (0,5-0,7)Р2н. Промышленное внедрение

Применение результатов научной работы позволило реконструировать и создать более 150 энергосберегающих асинхронных двигателей и повысить энергоэффективность электроприводов на основе АД с ИКРМ конкретных промышленных установок:

1) волочильного стана UDZSA 2500/3 ОАО «ММК-МЕТИЗ»;

2) нефтяных станков-качалок, насосов нефтегазового комплекса;

3) насосных агрегатов ЖКХ (трестов «Теплофикация», «Водоканал»); I

4) вентиляторов, шламовых насосов и др.

Экономия электрической энергии составляет более 3,5 млн. кВт-час, или в денежном выражении - около 6 млн. рублей в год. ? 16

Полученные в диссертационной работе результаты рекомендуются для I практического внедрения на предприятиях всех отраслей промышленности, I электромашиностроительных, электроремонтных предприятиях, изготавливающих или ремонтирующих асинхронные двигатели.

К защите представляются следующие основные положения

1.' Концепция энергосберегающих электроприводов на основе асинхронных 1 двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности за счет использования явления феррорезонанса токов в электромагнитной цепи статора, обеспечивающая снижение электропотребления, повышение КПД электродвигателя и уменьшение потерь электрической энергии в электроприводе и электропитающей сети.

21 Конструкция, электромагнитные и электрические схемы асинхронного двигателя с индивидуальной компенсацией реактивной мощности. Электрическая схема; замещения и зависимости, определяющие: линейную токовую и тепловую нагрузки статора асинхронного двигателя, содержащего на статоре две и более ш-фазные обмотки; емкость компенсирующего конденсатора от электромагнитных параметров двигателя; рациональное соотношение реактивных сопротивлений 1 ветвей намагничивания АД с ИКРМ и ТАД.

3: Методики и алгоритмы электромагнитного расчета АД с ИКРМ, пересчета существующих ТАД в АД с ИКРМ, технология их изготовления и испытания.

4. Математические модели, описывающие статические и динамические режимы электропривода на основе АД с ИКРМ.

5; Методика и алгоритм расчета показателей энергоэффективности электроприводов промышленных установок, созданных на основе применения ТАД и АД с ИКРМ.

61 Способ и устройство для повышения энергоэффективности электропривода на основе АД с ИКРМ путем регулирования тока компенсационной обмотки изменением генерируемой реактивной мощности компенсирующего конденсатора.

1\ Результаты теоретических и экспериментальных исследований регулируемых электроприводов на основе АД с ИКРМ, выполненных по системам ПЧ-АД, ПЧщим-1 17

АД, ТРН-АД, подтвердившие их работоспособность, обеспечение заданных I динамических свойств и улучшенных энергетических характеристик.

8; Результаты промышленного внедрения электроприводов на базе разработанных АД с ИКРМ в промышленных установках, на объектах нефтегазового комплекса, ЖКХ и др., подтвердившие высокую эффективность I использования разработанного асинхронного двигателя и снижение потерь I электрической энергии в среднем на 7-12%, при этом срок окупаемости капитальных вложений и затрат на реконструкцию составляет от 0,2 до 1,2 года.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических семинарах 5 энергетического факультета ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет», а также на международных научно-технических конференциях, симпозиумах, выставках-конгрессах, в том числе: на IV Международной (15 Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу, Магнитогорск, 2004 г.; на V, VII Международных симпозиумах

ЭЛМАШ-2004, 2009», Москва; Международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии», Томск, 2005 г.; Международной выставке-конгрессе. Высокие технологии. Инновации. Инвестиции, Санкт-Петербург, 2006 г.; V Международной (16 Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу, Санкт-Петербург, 2007 г.; XII Международной конференции «Электромеханика, электротехнология, электротехнические материалы и компоненты», Крым, Алушта, 2008 г.; Международной конференции «Электроэнергетика и автоматизация в металлургии и машиностроении», Магнитогорск, 2008 г.; VI Международной (17 Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу, Тула, 2010г.; научно-методическом семинаре «Энергосбережение средствами электропривода» кафедры автоматизированного электропривода Московского энергетического института (технического университета) 1 февраля 2011 г. и других.

Диссертационная работа рекомендована к защите расширенным заседанием кафедры электротехники и электротехнических систем ГОУ ВПО "Магнитогорский ГТУ им. Г.И. Носова" (17 марта 2011г.).

Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в 55 печатных трудах, в том числе 12 в рецензируемых изданиях по перечню ВАК, одна монография, 39 статей и докладов, один патент, две официально зарегистрированные программы для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы из 173 наименований и 9 приложений на 14 страницах. Работа изложена на 393 страницах машинописного текста, содержит 183 рисунка, 34 таблицы.

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Мугалимов, Риф Гарифович

Выводы и заключение по диссертационной работе

1! Научно обоснована и экспериментально подтверждена возможность

4 г улучшения показателей энергоэффективности электроприводов промышленных I установок путем модернизации электромагнитной схемы асинхронного двигателя и I индивидуальной компенсации реактивнои мощности непосредственно в 1 электромагнитной системе электрической машины. {

2\ Разработана, изготовлена и исследована новая конструкция асинхронного двигателя с индивидуальной компенсацией реактивной мощности, обеспечивающая лучшие показатели энергоэффективности, по сравнению с традиционными асинхронными двигателями, за счет размещения на статоре двух трехфазных обмоток, одна из которых подключается к электросети, а другая - на трехфазный конденсатор определенной емкости. При рациональных электромагнитных схемах и соотношениях параметров обмоток, конденсатора, и магнитной системы разработанная конструкция асинхронного двигателя позволяет, в зависимости от номинальной мощности, уменьшить потребляемые ток и полную мощность на 8—

24%, увеличить соБф до единицы, электрический КПД на 0,5-1,5%, энергетический КПД на 10-16%.

3| Разработана методика электромагнитного расчета асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности, которая совершенствует и расширяет возможности известной методики расчета традиционных асинхронных двигателей. Это достигается за счет использования нового критерия расчета двигателя (шах г^гТрсоБф), новых зависимостей, определяющих линейную токовую и тепловую нагрузки статора, емкость компенсирующего конденсатора, а также новых электромагнитных схем электрической машины, обусловленных ее конструкцией.

4.: Разработана и реализована технология изготовления асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности, адаптированная к технологии изготовления традиционных асинхронных двигателей. Предложены методика испытания и схемы стендов для получения рабочих и механических характеристик двигателей. Это позволяет электромашиностроительным и ! электроремонтным предприятиям на имеющемся технологическом оборудовании i производить энергосберегающие общепромышленные асинхронные двигатели.

5! Разработаны математические модели,. описывающие работу электроприводов на основе асинхронных двигателей с индивидуальной 1 компенсацией реактивной мощности, позволяющие в полном объеме проводить I исследования электромеханических и тепловых характеристик в статических и I динамических режимах при различном характере нагрузки электропривода. Математические модели отличаются от известных тем, что> учитывают новые конструктивные признаки двигателя. б! Разработаны методика, алгоритм и программа для ЭВМ, позволяющие на этапе! проектирования электроприводов рассчитывать ожидаемые показатели энергоэффективности различных систем электроприводов на- основе применения асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности и обоснованно принимать решение о технико-экономической целесообразности вариантов технических решений.

7. Разработаны способ и устройство управления электроприводом на основе АД с ;ИКРМ при его работе без нагрузки или с нагрузкой меньше оптимальной, обеспечивающие получение наилучшего энергетического КПД путем управления током; компенсационной обмотки статора в функции тока рабочей обмотки статора либо изменением величины емкости компенсирующего конденсатора, либо переключением электрических схем соединения обмоток статора и конденсатора, либо " одновременным изменением емкости конденсатора и переключением электрических схем соединения обмоток статора и конденсатора. Разработка позволяет при неоптимальных нагрузках двигателя в области (0,25-0,5)Р2Н увеличить энергетический КПД на 8-15%, в области (0,5-0,75)Р2н - на 1,5-КЗ,0%.

8, Электромашиностроительные заводы освоили изготовление АД с ИКРМ следующих типов: ДАТ 126, АИР 71-В2УЗ (ОАО «Электромашина», г. Челябинск); АИМЛ 71-В2 (ОАО «Сарапульский электрогенераторный завод»).

9: В ООО «РЭТО» (г. Альметьевск) освоена технология реконструкции электроприводов нефтяных станков-качалок на основе асинхронных двигателей « типа | АИР-180-8, мощностью 18,5 кВт. Рекноструировано более 130 электроприводов, позволяющих ежегодно экономить около 860 тыс. кВтчас

V i электроэнергии. I

10. Реконструированы электроприводы вентиляторов градирни на основе 1 применения АД с ИКРМ типа А02-91-6, мощностью 55 кВт, позволяющие ежегодно экономить порядка 200 тыс. кВтчас электроэнергии в год.

11. Создана экспериментальная установка для исследования нерегулируемых и регулируемых электроприводов« насосных агрегатов, в том числе по системе ПЧ-АД с ¡ИКРМ, с помощью которой исследованы и подтверждены, эффективность, применения асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности для электроприводов данного класса. Реконструированы электроприводы насосных агрегатов систем водоснабжения. ЖКХ. Экономический эффект от применения электроприводов' насосных агрегатов на основе АД с ИКРМ проявляется в снижении удельного расхода электроэнергшгна 9-10%.

12. Созданы и исследованы опытно-промышленные электроприводы волочильных станов \JDZSA 2500/3, \TDZSA 2500/7 на основе АД с ИКРМ типа 8МКК-55. Экономия электрической энергии на волочильных станах ОАО «ММК-МЕТИЗ» составляет 350 тыс. кВтчас в год.

В* результате промышленного внедрения электроприводов на базе разработанных АД с ИКРМ в промышленных установках, на объектах нефтегазового комплекса; ЖКХ и др., подтверждены высокая эффективность использования разработанных электроприводов и снижение потерь электрической энергии в среднем на-7-12%, при этом срок окупаемости капитальных вложений и затратна реконструкцию составляет от 0,2 до 1,2 года.

Применение результатов научной работы позволило^ реконструировать и создать более 150 энергосберегающих асинхронных электроприводов. Экономия электрической энергии за счет повышения энергоэффективности электроприводов конкретных промышленных установок составляет более 3,5 млн. кВт-час, что в денежном выражении составляет порядка 6 млн. рублей в год.

Полученные в диссертационной работе результаты рекомендуются для расширенного промышленного внедрения, а также для использования в учебном процессе при подготовке и повышении квалификации специалистов электротехнических направлений. В целом, работа имеет существенное значение для инновационного развития отечественной электротехнической отрасли, позволяет решать важную народнохозяйственную проблему энергосбережения в различных отраслях промышленности.

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Мугалимов, Риф Гарифович, 2011 год

1.1: Федеральный закон № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышенииtэнергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации»

2. Государственная программа Российской. Федерации «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2020 года». Утверждена1.распоряжением Правительства Российской Федерации от 27 декабря 2010 г. № 2446-Р

3. Мугалимов Р.Г., Харченко Г.Н. Попов В.К. Об экономии электроэнергии в прокатном.производстве // Промышленная энергетика. 1980. №1. С. 8-9.

4. Алексеев JI.E. Конструкция электрических машин. Госэнергоиздат, 1958.

5. Костенко М.П. Электрические машины. Госэнергоиздат, 1949.

6. Пиотровский Л.М., Электрические машины. Изд-во, «Энергия», 1974. 504 с.

7. Видеман Е., Келленбергер В. Конструкции электрических машин. / Сокращенный перевод с немецкого Б. А. Цветкова Под редакцией Б. Н. Красовского. Издательство Энергия, Ленинградское отделение, 1972.

8. Касаткин A.C., Перекалин М.А. Электротехника. Изд-во «Энергия», 1963.

9. Блажкин А.Т. Общая электротехника. Изд-во «Энергия», 1964.

10. Копылов И.П. Проектирование электрических машин. М.: Высшая школа, 2005.-767 с.

11. Беспалов В.Я., Габдуллин H.A. Оптимальная структура нерегулируемого электропривода. // Известия ТулГу. Технические науки. Вып. 3: в 5 ч. Тула: Изд-во ТулГу, 2010.41.-С. 114-119.

12. Вольдек А.И. Электрические машины. Л.:, «Энергия», 1974. 839 с.

13. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи: Учеб. для электротехн., энерг., приборостроит. спец. вузов — 9-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. шк., 1996. - 638 с.

14. Сыромятников И. А. Режимы работы асинхронных и синхронныхэлектродвигателей — Зе изд., переработ, и доп. — M.-JL: Госэнергоиздат, 1963. -528 с.

15. Миллер Е.в: Основы теории электропривода. М.: Росвузиздат, 1963.i

16. Справочник по электрическим машинам. В'2-х т. / Под общей ред. И.П.1

17. Копылова и Б.К. Клокова. Т. 2. М.: Энергоатомиздат, 1989. — 688 с.i1

18. Техноперспектива, 2007. 585 с.

19. Радин В.И., Брускин Д.Э., Зорохович А.Е. Электрические машины: Асинхронные машины. М.: Высшая школа, 1988, - 328 с.

20. Сорокер Т.Г. Расчет характеристик асинхронного двигателя." — «Бюллетень Всесоюзного электротехнического института», 1941, №6. — С. 27-32.

21. Электротехника. Учеб. пособие для вузов. Э45 Под ред. B.C. Пантюшина.

22. Изд. 2-е, перераб. и доп. М.': «Высш. школа», 1976. — 560 с.1

23. Энергоатомиздат, 1998. 704 с.I

24. Ковчин С.А., Сабинин Ю.А. Теория электропривода: учебник дшг вузов: СПб.: Энергоатомиздат, 1994.-496 с.

25. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин: Учеб. для вузов. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 2001. - 327 с.

26. Копылов И.П: Электрические машины. -М.: Высшая школа, 2000.

27. Омельченко Е.Я. Динамические модели асинхронных двигателей: Монография. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск, гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова,2010.-194 с.i

28. Чиликин М.Г., Ключев В.И., Сандлер A.C. Теория автоматизированного электропривода: учебное пособие для ВУЗов. Мг. Энергия, 1979. 616 с.

29. Голован А.Т. Основы электропривода. М.: Госэнергоиздат, 1959. 344 с.

30. Борисов A.M., Драчев Г.И:, Лях Н.Е., Нестеров A.C., Шишков, А.Н., ФрикМ.Ф. Асинхронный дроссельный электропривод с регулятором скорости //

31. Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 3: в 5 ч. Тула: Изд-во ТулГУ. 2010. Ч. 2.-С. 234-243. 1

32. Осипов О.И. Частотно-регулируемый асинхронный электропривод. М. 2002. -122 с.

33. Микитченско А.Я. Разработка и исследование частотно-управляемогоIасинхронного электропривода по системе НПЧ-АД для машин предприятий горнодобывающей промышленности: Автореферат докт. дисс. М.: МЭИ, 1999. -40 с.

34. Сарваров A.C. Энергосберегающий электропривод на основе НПЧ-АД с программным формированием напряжения: Монография. Магнитогорск: МГТУ, 2001.-206 с.I

35. Браславский И.Я., Зюзев A.M., Костылев A.B. Баланс реактивной мощности в системе тиристорный преобразователь напряжения асинхронный, двигатель // Электротехника. 2000, №1. - С. 30-33.

36. Шрейнер Р.Т. Оптимальное частотное управление асинхронными электроприводами. Кишинев: Штиинца, 1982. 234 с.

37. Сарваров A.C. Синхронизация асинхронного двигателя в системе АВК сцелью повышения энергетических показателей. Тр/ Моск. энерг.ин-та, 1982, вып. 520. - С.93-95.

38. Синхронизированный асинхронный электропривод с частотным управлением / В.Н. Мещеряков, A.A. Соломатин// Воронежский инновационно-технологический центр. Электротехнические комплексы и системы управления. 2006, №2.-С. 11-16.

39. Ильинский Н.Ф. Рожанковский Ю.В., Горнов А.О. Энергосбережение вtэлектроприводе //Энергосберегающая технология электроснабжения народного хозяйства. /Под ред. В.А. Веникова. М.:Высш. шк., 1989. - 129 с.

40. Попов В.И., Ахунов Т.А., Макаров JI.H. Современные асинхронные электрические машины: новая российская серия RA. М.: Изд-во «Знак», 1999. — 256 с.

41. Шенфер К.И. Асинхронные машины. M.-JL: ГНТИ, 1931. - 391 с.

42. Алиев И.И. Асинхронный энергосберегающий двигатель. Электротехника11, 2001.-С. 39-41.

43. Алиев И:И., Беспалов В.Я., Клоков Ю.Б. Асинхронный генератор с гарантированным самовозбуждением / Электричество. 1997. №7. С. 42-45.

44. Котеленец Н.Ф., Семикин С.А., Мощинский Ю.А., Кирякин A.A. Оценка возможности применения встроенных конденсаторов для возбуждения асинхронных машин. Известия ВУЗ. Электромеханика №4, 1991. С. 60-62.

45. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Изд. 6-е, перераб. и доп. Учебник для студентов энергетических и электротехнических вузов. — М.: Высшая школа, 1973

46. Костенко М.П., Пиотровский Л.М. Электрические машины. Ч. 2. М.: Энергия, 1974.

47. Турин Я.С., Кузнецов Б.И. Проектирование серий электрических машин. — М.: Энергия, 1978г. 480 с.

48. Домбровский В.В., Зайчик В.М. Асинхронные машины: Теория, расчет, элементы проектирования. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1990. - 368 с.

49. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин. М.:

50. Высшая школа, 2001. — 327 с.

51. Мугалимов Р.Г., Мугалимова А.Р. К проектированию асинхронногодвигателя с индивидуальной- компенсацией реактивной мощности. //t

52. Электротехнические системы и комплексы: Межвузовский сб. науч. тр. Вып. 14. /

53. Под ред. Сарварова A.C. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2007. С. 121-130.асинхронного двигателя с индивидуальной компенсацией реактивной мощности. //

54. Электромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляемыеtэнергомеханические системы: труды III Международной научно-техническойконференции. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2007. С. 77-80.

55. Мугалимов Р.Г., Косматов В.И., Мугалимова А.Р. Метод и алгоритмпроектирования компенсированного энергосберегающего асинхронного двигателя.

56. Сборник материалов V Международной (XVI Всероссийской) научной конференции: 18-21 сентября 2007 г. Санкт-Петербург, 2007. - С. 281-284.

57. Кравчик А.Э., Шлаф М.М., Афонин В.И., Соболенская Е.А. Асинхронныедвигатели серии 4А: Справочник. -М.: Энергоиздат, 1982.

58. Правительство Челябинской области, 2008. С. 104-105.1

59. Мугалимова' А.Р., Кретов С.В:, Губайдуллин А.Р., Мугалимов Р.Г. Опыт создания энергосберегающих электроприводов волочильных станов. // Промвппленная энергетика. — № 7. 2009. — С. 11-15.I

60. Мугалимов Р.Г., Губайдуллин А.Р., Мугалимова А.Р. Экспериментальные исследования электроприводов волочильного стана на основе энергосберегающихiасинхронных двигателей. // Известия вузов: Электромеханика. — № 1. — 2009. — С. 43-47.;I

61. Пат. 2112307 RU, МКИ 6 Н02 к 17/28. Асинхронная компенсированнаяэлектрическая машина. Савицкий А.Д., Мугалимов Р.Г., Савицкая Л.Д:// Открытия.i i1. Изобретения. 1998г. №15.

62. Г. Корн и Т. Корн. Справочник по математике для научных работников» и инженеров. -М.: Наука, 1970. 720 с.

63. Яцкин, Н. И: Алгебра: Теоремы и алгоритмы: учеб. пособие / Н. И. Яцкин. — Иваново : Иван. гос. ун-т, 2006. 506 с.

64. Т.2. Магнитогорск: МГТУ, 2004. - С. 114-117.

65. Гольдберг О:Д. Качество: и надежность асинхронных двигателей. М.:1. Энергия, 1968. 176 с.

66. Радиойова A.A. Магнитогорск: МГТУ, 2009. - С. 67-76.

67. Екатеринбург, 2003. С. 159-162.I

68. Мугалимов Р.Г., Савицкий А.Лі, Савицкая Л.Д., Жданов А.К., Кожевников