Исследование и разработка энергоэффективных режимов электроприводов в системах электроснабжения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Калинин, Алексей Германович

• Калинин, Алексей Германович
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Калинин, Алексей Германович

Введение.

Глава I. Общие положения.

1.1 Анализ действующих нормативных документов, регламентирующих правила и порядок проведения энергетических обследований предприятий.

1.2 Анализ действующих нормативных документов, регламентирующих нормы качества электрической энергии.

1.3 Влияние пусковых режимов электродвигателей на систему электроснабжения.

Глава II. Энергетический баланс при транспортировке жидкости.

2.1 Расчет эквивалента электрической мощности по параметрам теплосети.

2.2 Алгоритм расчета расхода жидкости по электрическим параметрам

2.3 Энергетический баланс при работе насосных установок.

2.4 Выбор энергосберегающих мероприятий средствами автоматизированного электропривода.

Глава III. Надежность систем электроснабжения при пуске электродвигателей с вентиляторной нагрузкой.

3.1 Выбор схемы замещения сетевого трансформатора и питающей энергосистемы.

3.2 Упрощенный расчет провалов напряжения на шинах.

3.2.1 Асинхронный электропривод.

3.2.2 Синхронный электропривод.

3.3 Расчет механических характеристик электродвигателей при остаточном напряжении на шинах.

3.3.1 Асинхронный электропривод.

3.3.2 Синхронный электропривод.

3.4 Пусковые характеристики электродвигателей при ограничении пускового тока.

3.5 Уточненный расчет провалов напряжения в асинхронном электроприводе при колебаниях нагрузки.

3.6 Уточненный расчет провалов напряжения в синхронном электроприводе при колебаниях нагрузки.

Глава IV. Экспериментальное обследование насосной установки.

4.1 Опытная установка и средства измерения.

4.2 Программа измерений.

4.3 Результаты.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка энергоэффективных режимов электроприводов в системах электроснабжения»

Энергоэффективность - это снижение производством потребляемой энергии и ресурсов^ за- счет использования нового и более ЭКОНОМИЧНОГО' оборудования, оптимизации существующих систем, установки систем учета, управления, контроля и использования вторичных энергоресурсов.

Энергоэффективность сегодня актуальна как никогда раньше. Это инструмент, который одновременно содействует достижению трех основных целей энергетической политики:

• Повышению энергетической безопасности и надежности;

• Снижение вредного экологического воздействия вследствие эффективного использования энергоресурсов;

• Повышение конкурентоспособности промышленности [38].

Актуальность исследования

По данным экспертов Евросоюза, электроприводы с вентиляторной нагрузкой составляют большую часть всех потребителей электроэнергии, где требуется регулирование производительности. Причем средствами регулирования в меньшей степени оборудованы электроприводы средней и большой мощности. Мероприятия по энергосбережению в таких установках предполагают выбор регулируемого электропривода (РЭП) или создают особые условия к пуску электродвигателей.

Оснащенность электроприводами наиболее массовых потребителей электроэнергии приведена на диаграмме (рисунок 1.1). Мощные (>75 кВт), чаще других, оборудованные средствами регулирования, составляют лишь 23%. Основная же масса (77%) - это электроприводы малой (0,75-75 кВт)1 мощности - как правило, нерегулируемые, снабженные асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором.

В такой ситуации особое внимание должно, прежде всего, уделяться экономичному режиму работы наиболее крупных потребителей электроэнергии. Из диаграммы видно, что значительную долю агрегатов, снабженных электроприводом, составляют центробежные машины - насосы, вентиляторы и компрессоры. Такие крупные потребители электроэнергии, как насосные установки, по стране ежегодно расходуют около 300 млрд. кВт-ч электроэнергии, то есть примерно 20% всей электроэнергии, вырабатываемой энергосистемами страны. Из них на перекачку чистых и сточных вод в России расходуется 12 млрд. кВт-ч электроэнергии [37, 48, 51].

Промышленный сектор

60% 1 Насосы. Вентиляторы, Компрессоры I Прочее

Коммерческий сектор

Г20%

80% л Насосы. Вентиляторы. Компрессоры

I Прочее

0.75-7.5К-ВТ

Распределение электроприводов по мощности двигателей

Рисунок 1.1- Доля потребления электроэнергии наиболее массовыми потребителями

К основным особенностям электроприводов насосов и вентиляторов с точки зрения условий работы относятся: квадратичная зависимость момента на валу двигателя от скорости вращения; длительный режим работы и отсутствие реверсов, торможений и перегрузок; ограниченный диапазон регулирования скорости вращения электродвигателя; стохастический характер возмущающего воздействия [1].

В решении задач энергосбережения в перекачивающих станциях, эксплуатируемых более 20 лет, открыты вопросы оценки фактических режимов работы электроприводов, эффективности их работы и технического состояния. Отсутствие объективных данных о техпроцессе и состоянии трубопроводов усложняет методы ультразвуковых измерений и последующее обоснование проекта внедрения РЭП. Задачи РЭП при транспортировке жидкости или газа чаще всего сводятся к исключению потерь в регулирующей расход арматуре, однако, в зависимости от фактических режимов работы агрегатов, потери в преобразователях частоты приводят к перерасходу электроэнергии. Поэтому для разработки энергосберегающих мероприятий необходимо исходить из фактических режимов работы электроприводов и энергетических характеристик схем РЭП в этих режимах.

К примеру, требования энергетической эффективности в теплоснабжении, при переходе потребителей от качественного регулирования на качественно-количественное, приводят ряд принципиальных отличий от предшествующего режима работы теплосети. Основная проблема состоит в балансировке и наладке теплосети на изменение расхода совместно с температурой теплоносителя. Следовательно, в проектировании и наладке, помимо гидравлического расчета, при изменении расхода необходимо учитывать фактические режимы работы насосов, работающих электродвигателей и регулирующей расход арматуры для обеспечения максимального эксплуатационного КПД как в статике, так и в динамике работы теплосети [15, 49].

Эффективное применение РЭП возможно только при соответствующем ужесточении технических требований к качеству электроэнергии и1 надежности питающей сети. По данным зарубежных источников [48] в силу своих схемотехнических решений РЭП относится к категории потребителей наиболее чувствительных к качеству электроэнергии, в частности, к провалам напряжения. Срабатывание быстродействующих защит по току и напряжению, которыми оснащен современный РЭП, часто выводит из-под контроля технологический процесс. В практике инженерных расчетов нет методик, определяющих выбор РЭП для обеспечения заданного провала напряжения с условием выхода двигателя на номинальный режим работы.

Надежность систем электроснабжения и вопросы гидравлических ударов в трубопроводах сегодня решаются системами безударного пуска на основе преобразователей частоты (ПЧ) или устройств плавного пуска (У 1111). Внедрение УПП или ПЧ для многодвигательных систем в условиях рынка является спорным вопросом для пусков из-за высокой; цены на ПЧ. в сопоставлении с ограниченными возможностями недорогих УШИ. При множестве предложений от производителей силовой электроники, однозначных аргументов против У1111 или ПЧ в каждом- конкретном: случае невозможно дать без предварительного анализа.

В системах электроснабжения разработчики стремятся максимально выровнять электрическую нагрузку минимизацией^ пусковых токов и провалов напряжения. Вопросы качества электроэнергии у потребителей, подключенных к той же подстанции, от которой питаются насосные установки с электроприводом, на сегодня регламентируются только ГОСТ 13109-97. Провал напряжения, безусловно, влияет на работу этих потребителей, которые чаще всего оснащены быстродействующими системами защит от пониженного напряжения или могут быть чувствительны к перепадам напряжения. К числу таких потребителей относятся системы освещения на основе ртутных ламп, цифровая техника, релейная защита, системы управления двигателями и преобразователи частоты. Вопрос состоит в том, какой величины и в течение какого времени имеет место пониженное напряжение, и насколько работающие двигатели способны компенсировать глубину провала.

В России провалам напряжения уделяется внимание лишь в случаях, -если их длительность свыше 30 секунд, за рубежом свыше 1 минуты, тогда как пуск двигателя длится обычно не более 3-10 секунд.и явления в системе электроснабжения в этом случае сходны с самозапуском при снижении и восстановлении напряжения. Разница в том, что при провале напряжения; имеет место не потеря напряжения на зажимах нагрузки,, а ее снижение до некоторого значения, если при этом не сработали защиты по напряжению у потребителя. При проектировании глубину провала учитывают при расчете токов короткого замыкания (КЗ) за пусковым сопротивлением только пускаемого двигателя, а компенсация провала напряжения параллельно работающими двигателями не учитывается, так же как и их реакция.

Определение условий успешной работы РЭП требует комплексного решения вопросов, связанных с работой электросети, электродвигателя, его системы управления и самого приводимого механизма. При этом сохранение показателей качества электроэнергии при^ пусках двигателей и увеличение эксплуатационного ресурса двигателей может быть достигнуто, устранением» пусковых колебаний электромагнитного момента и ограничением пусковых токов средствами РЭП.

Интерес к совершенствованию и внедрению РЭП с вентиляторной' нагрузкой проявляют различные технические предприятия мира, такие как: Siemens (Германия), Fanuc (Япония), ABB (Германия), ВНИИР (Россия), ЭКРА (Россия) и др.

Данная работа посвящена разработке и анализу методов и, средств РЭП, обеспечивающих энергосбережение и заданные условия эксплуатации системы электроснабжения. Теоретические основы развиваемых автором методов и положений заложены в трудах Аракеляна А.К., Гамазина С.И., ЛезноваБ.С., Поздеева А.Д., Соколова Е.Я., Щедрина В.А., Донского Н.В., и других ученых.

Цель исследования*

Оценка эффективности работы мощных высоковольтных электроприводов с вентиляторной нагрузкой, увеличение эксплуатационного ресурса электродвигателей и сохранение показателей качества электроэнергии при пусках двигателей путем реализации разработанных методик и алгоритмов управления РЭП.

Задачи исследования

1. Разработка методики энергетического ' обследования электроприводов на основе паспортных данных асинхронного двигателя, приводного агрегата, периодических измерений параметров техпроцесса и системы электроснабжения.

2. Разработка методики количественной оценки глубины провалов напряжения при пусках двигателей на основе паспортных данных электродвигателей^ параметров системы электроснабжения.

3. Анализ возможностей и области применения различных типов и* структур пусковых устройств электродвигателей, обеспечивающих заданные-условия эксплуатации системы электроснабжения.

Объектом исследования в настоящей работе являются насосные,, перекачивающие и компрессорные установки на асинхронном и синхронном электроприводе. Предметами исследования являются:

• ошибка определения расхода по регулярным замерам электрических параметров;

• диапазон регулирования, дающий наиболее достоверные значения расхода;

• выбор схемы регулируемого электропривода при обосновании энергосберегающих мероприятий;

• влияние установленной мощности трансформатора на величину провала напряжения при пусках электродвигателей;

• влияние параллельно работающей нагрузки на величину провала" напряжения при пуске электродвигателей;

• пусковые характеристики электродвигателей при токовой отсечке.

В' качестве расчетной схемы электроснабжения использовалась типовая схема электроснабжения насосной станции (рисунок 1.2).

Методологическая база исследования

Методы исследований базируются на общих положениях теории цепей, линейной алгебры, методе математического и численного моделирования с использованием программы Ма^аЬ, методе энергетических балансов и основах гидравлики. Экспериментальные исследования проводятся на лабораторном макете электропривода с вентиляторной нагрузкой кафедры ТЭУ ЧТУ им. И.Н.Ульянова (г. Чебоксары).

Результаты экспериментальных исследований фиксируются с помощью современных сертифицированных средств измерения. При обработке результатов теоретических и экспериментальных исследований широко применяется современное программное обеспечение. I I о

Ядв о о о о

41 дв а) б)

Рисунок 1.2- Пример типовой схемы электроснабжения насосной станции с асинхронными электродвигателями: а - принципиальная; б - расчетная схема замещения

Соответствие диссертации Паспорту научной специальности

Основные положения диссертации попадают под формулу научной специальности 05.09.03 - «Электротехнические комплексы и системы». В работе приведены исследования по общим закономерностям преобразования, накопления, передачи и использования электрической энергии, а также принципы и средства управления объектами, определяющие функциональные свойства действующих или создаваемых электротехнических комплексов и систем промышленного назначения. В диссертации имеет место математическое моделирование электропривода с учетом системы электроснабжения, обоснование совокупности технических, технологических и экономических критериев оценки принимаемых решений. Результаты математического моделирования и степень принятых допущений определяют работоспособность и качество функционирования электротехнических комплексов и систем в различных режимах работы.

Результаты исследования соответствуют п. 1 «Развитие общей теории электротехнических комплексов и систем, изучение системных свойств и связей, физическое, математическое, имитационное и компьютерное моделирование компонентов электротехнических комплексов и систем», п. 2 «Обоснование совокупности технических, технологических, экономических, экологических и социальных критериев оценки принимаемых решений в области проектирования, создания и эксплуатации электротехнических комплексов и систем», п.4 «Исследование работоспособности и качества функционирования электротехнических комплексов и систем в различных режимах, при разнообразных внешних воздействиях» и п. 5 «Разработка безопасной и эффективной эксплуатации, утилизации и ликвидации электротехнических комплексов и систем после выработки ими положенного ресурса» паспорта специальности 05.09.03 - «Электротехнические комплексы и системы (технические науки)».

Целевая аудитория включает в себя инженеров в области электромеханики и электропривода, электрических сетей, теплоснабжения и инженеров проектировщиков по этим направлениям.

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Калинин, Алексей Германович

Выводы

На основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований решена актуальная практическая задача повышения энергетической эффективности, увеличения эксплуатационного ресурса электродвигателей и сохранения показателей качества электроэнергии при пусках двигателей соответствующими средствами РЭП. Основные научные и практические результаты заключаются в следующем:

1. В экспериментальном исследовании установлено, что погрешность измерения расхода вещества по предлагаемому способу не превосходит 10%, активной мощности - 5%.

2. Результаты исследований пусков АД и СД с ограничением пускового тока методом фазового управления свидетельствуют о допустимой по условиям стандартов глубине провала напряжения за все время пуска.

3. В результате исследований установлено, что допустимое ограничение пускового тока двигателя с вентиляторной нагрузкой необходимо

118 рассчитывать с учетом минимального динамического момента в диапазоне средних скольжений.

Рекомендации

Преобразователи частоты электродвигателей следует рекомендовать также в случае, если регулированием напряжения в устройствах плавного пуска не удается обеспечить заданную глубину пускового провала напряжения и выход двигателя на номинальный режим работы.

Проблемы провалов напряжения целесообразнее решать изменением пусковых характеристик электродвигателей, то есть внедрением УПП или ПЧ. Этот способ относится к категории наиболее энергоэффективных, так как требуется меньшая мощность сетевого трансформатора и тем самым оптимизируются потери на намагничивание.

В установившемся режиме работы частотно-регулируемый электропривод эффективен при глубине регулирования расхода более 0,3 от номинального, что способствует исключению потерь в регулирующей расход арматуре при транспортировке жидкости или газа.

Внедрение устройства плавного пуска на установках большой мощности от 1000 кВт и выше необходимо, исходя из решения целого комплекса проблем, возникающих при пуске и отключении электродвигателей. Это связано с тем, что в динамике возникают дополнительные перегрузки, способствующими возникновению аварийных ситуаций, а так же сокращению сроков эксплуатации оборудования.

На предприятиях, где эксплуатируется значительное количество высоковольтных асинхронных и синхронных двигателей и технологические установки пускаются прямым включением, анализ отказов высоковольтных электродвигателей показывает, что выход из строя машин мощностью от 630 кВт и выше связан в основном с повреждением статорных обмоток вследствие пусковых колебаний электромагнитного момента. Если учесть, что нагрузка этих машин, как правило, не превышает 80% от номинала, выход из строя двигателей связан с разрушением изоляции статорных

119 обмоток из-за механических вибраций в катушках статора, вызванных электромагнитными процессами на начальной стадии пуска.

При ограничении пусковых токов в асинхронном электроприводе в пределах /п=(2-3)/н, возможно прекращение разгона на уровне средних скольжений из-за потери динамического момента, где потери в роторе возрастают в 7-10 раз по отношению к номиналу.

При эксплуатации VI111 следует иметь в виду, что плавный пуск приводит к увеличению продолжительности времени разбега и связанному с этим изменению условий нагрева двигателя. Известно, что при неизменном количестве тепловой энергии (энергия потерь равна запасу приобретенной кинетической энергии), выделяемой в процессе пуска, возможны локальные зоны с повышенной температурой перегрева, зависящей от теплоемкости и теплопроводности узлов пускаемых электродвигателей.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Калинин, Алексей Германович, 2011 год

1. СПРАВОЧНАЯ ЛИТЕРАТУРА

2. Аракелян А.К. Электропривод насосов: вопросы теории и расчета: учеб. пособие / А.К. Аракелян, В.Н. Ларионов; Изд-во. Чуваш, гос. ун-та им. И. Н. Ульянова. Чебоксары, 2008. - 200 с.

3. Герасименко A.A. Передача и распределение электрической энергии / Герасименко A.A., Федин В.Т. Ростов-на-Дону: «Феникс», 2008. -715 с.

4. Гамазин С.И. Переходные процессы в электродвигательной нагрузке систем промышленного электроснабжения / Гамазин С.И., Понаровкин Д.Б., Цырук С.А. М.¡Издательство МЭИ, 1991. - 352 е.: ил.

5. Донской Н.В. Регулируемые электроприводы переменного тока / Н.В. Донской. Чебоксары: Изд-во Чуваш, ун-та, 2007. - 204 с.

6. Дьяконов В. Анализ идентификация и моделирование систем. Специальный справочник / Дьяконов В. Круглов В. СПб.: Питер, 2002. — 448с.

7. Иванов-Смоленский A.B. Электрические машины. /М.: Энергия, 1980.

8. Костенко М.П. Электрические машины: в 2 ч. 4.1-2 / М.П. Костенко, Л.М. Пиотровский. — М.: Л.: Энергия, 1965.

9. Лезнов Б.С. Энергосбережение и регулируемый привод в насосных агрегатах и воздуходувных установках. М.: Энергоатомиздат, 2006. — 360 с.

10. Маток. А.И. Наладка и эксплуатация водяных тепловых сетей. Справочник / А.И. Манюк. М.: Строиздат 1988. 430 с.

11. Пупин В.М. Процессы в узлах нагрузки при самозапуске электродвигателей. Учебное пособие / Пупин В.М., Щедрин, В.А. Чебоксары, изд-во Чуваш, гос. ун-та, 1998 87 е.

12. Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети / М.: Издательство МЭИ. 2001.

13. Соколовский, Г. Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием: учебник для студ. высш. учеб. заведений / Г.Г. Соколовский. М.:Изд-во Академия. 2006. 272 с.

14. П.Суптелъ A.A. Асинхронный частотно-регулируемый электропривод / Чебоксары, изд-во Чуваш, гос. ун-та, 2000 164 с.

15. Суптель A.A. Учебное пособие по электроприводам переменного тока / Чебоксары, изд-во Чуваш, гос. ун-та, 2008 18 с.

16. Суровцев В.Н. Теория автоматического управления: учеб. пособие / В.Н. Суровцев, Н.В. Донской. 2-е изд., доп. и перераб. — Чебоксары: Изд-во Чуваш, ун-та, 2005. - 184 с.

17. Трещев И.И. Электромеханические переходные процессы в машинах переменного тока. Л.: Энергия, 1980.-232 с.21 .Усольцев, A.A. Частотное управление асинхронными двигателями: учеб. пособие / СПб: СПбГУ ИТМО. 2006. 94 с.

18. И.Фролов Э.М. Основы электропривода / Чебоксары: Изд-во Чуваш, унта, 2001. 192 с.

19. Щедрин В.А. Электромагнитные переходные процессы в электрических системах / Чебоксары: Изд-во Чуваш, ун-та, 2007. 422 с.1. НОРМАТИВНЫЕ ДОКУМЕНТЫ

20. ГОСТ 13109-97 (2002). Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической1 энергии» в системах электроснабжения общего назначения. Межгосударственный стандарт.

21. Инструкция №325 Минэнерго от 30.12.2008. По организации, в Минэнерго России работы по расчету и обоснованию нормативов технологических потерь при передаче тепловой энергии.

22. МДК 1-01.2002. Методические указания по проведению энергоресурсоаудита в жилищно-коммунальном хозяйстве.

23. Приказ Госстроя России № 202 от 10.06.2003. Об утверждении Методических рекомендаций и типовых программ энергетических обследований систем коммунального энергоснабжения.

24. СНиП 41-02-2003 «Тепловые сети».

25. СНиП 41-01-2003 «Отопление, вентиляция и кондиционирование».

26. Постановление Правительства РФ от 31.12.2009 N 1220 "Об определении применяемых при установлении долгосрочных тарифов показателей надежности и качества поставляемых товаров и оказываемых услуг".

27. РФ (ФЗ) № 261 от 10 января» 2010 "Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации".

28. РД 34.09.101-94. Типовая инструкция*по учету электроэнергии при ее производстве, передаче и распределении.

29. РД 153-34.0-20.527-98 (2002) Руководящие указания по расчету токов короткого замыкания и выбору электрооборудования.

30. Башмаков И. А. Анализ целевых показателей энергоэффективности, установленных Постановлением Правительства РФ от 31 декабря 2009г. №1225. // Новости теплоснабжения N9 2010. С. 6-11.

31. Волков A.B. Повышение эффективности работы центробежных насосов, находящихся в эксплуатации / Волков A.B., Парыгин А.Г., Хованов Г.П., Наумов А.В // Новости теплоснабжения N10 2010. С. 31-33.

32. ЪЪ.Гашко Е.Г. Энергоэффективность как основа стратегии развития региона / Гашко Е.Г., Репецкая Е.В. // Энергосбережение N5 2010. С.16-19.

33. Калинш А.Г. Эффективность применения частотно-регулируемого электропривода в системах ЖКХ / Калинин А.Г. Ларионов В.Н., Труды академии электротехнических наук Чувашской Республики // N1 2009 С. 41-47.

34. Мс(гакр зоб*.) Ме (отткр юд*.)

35. Рисунок В4. Семейство механических характеристик при различных ограничениях тока1. Выводы:

36. Для пуска насосного агрегата на открытую задвижку следует задаться ограничением тока кт = 3, т.к. зафиксировано пересечение характеристики нагрузки с механической характеристикой в зоне скольжений меньших критического при кт =2,5.

37. Для пуска насосного агрегата на закрытую задвижку следует задаться ограничением тока кт =2,5, т.к. зафиксировано пересечение характеристики нагрузки с механической характеристикой в зоне скольжений меньших критического при кт =2.

38. Кратность пускового тока двигателя 7/ном обуславливает провал напряжения 22%. Ограничение тока кт =2,5, по сравнению с кратностью пускового тока, уменьшает провал напряжения в 2,8 раз, т.е. 7,8% при установленной трехкратной мощности трансформатора.

39. Для кт = 3 провал напряжения составляет 9,5%, обеспечивая глубину провала менее 10% (меньше допустимого установившегося отклонения напряжения по ГОСТ 13109-97).и 23 (і

40. Рисунок Г2 Система импульсно-фазового управления

41. Рисунок ГЗ Пилообразное напряжение после интегрирования сигнала от нуль-органа

42. Регулятор тока в модели (рисунок Г1) в первом приближении используется интегрального типа. Сигнал на регулятор тока поступает от задатчика тока, из которого вычитается сумма модулей токов прямой последовательности с модели асинхронного двигателя.

43. Провал напряжения на шинах выводится на дисплей Шіі (рисунок Г1), где расчет ведется» по формуле 3.5.1 по полученной в модели АКТ, суммы модулей токов прямой последовательности.

44. Фазовые траектории пуска двигателя АЗПМ5000 с вентиляторной нагрузкой при ограничении пускового тока приведены на рисунке Г4. Сигнал задания тока — рисунок Г5.

45. Переходный процесс разгона двигателя при ограничении пускового тока приведен на рисунке Г6, формирование подаваемого напряжения на двигатель Г7.300 250 200 150 100 50 0рад с-1-г і і -- ,