Концепция повышения энергоэффективности асинхронных двигателей и электроприводов на их основе

ЭНЕРГЕТИКА МЕТАЛЛУРГИИ, ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ И ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА

УДК 621.313

МугалимовР.Г.

КОНЦЕПЦИЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ И ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ НА ИХ ОСНОВЕ

Повышение энергоэффективности промышленных предприятий является одной из приоритетных задач российской экономики. В различных отраслях промышленности РФ для вращения рабочих машин, агрегатов и промышленных установок используется не менее 150 млн штук традиционных асинхронных двигателей (ТАД) мощностью от 0,25 до 315 кВт на номинальное напряжение до 1000 В, частотой 50 Гц. Эти электродвигатели потребляют до 80% вырабатываемой в стране электрической энергии. На рис. 1 представлены диаграммы распределения ТАД: по механизмам в промышленности; по мощности и потребляемой электроэнергии.

Следует отметить, что 75-80°% электроприводов на основе применения ТАД являются нерегулируемыми. Из анализа диаграммы (рис. 1, б), следует, что электроприводы на основе ТАД мощность до 100 кВт потребляют около 92°% всей электроэнергии.

Несмотря на высокую надежность и небольшие эксплуатационные затраты, ТАД обладают невысокой энергоэффективностью. В частности, они потребляют из электросети от 25 до 40°% реактивного тока и реактивной энергии индуктивного характера. Реактивная энергия в механическую энергию не преобразуется. Реактивный ток в системах электроснабжения создает дополнительное падение напряжения и увеличивает потери активной электрической энергии. Номинальный

электрический КПД ТАД, в зависимости от номинальной мощности Р2Н и частоты вращения, составляет 70-92%, коэффициент мощности cosфн не превышает 0,8-0,92, энергетический КПД, равный произведению ^3H=VCos9H, в лучшем случае, наждится в диапазоне 56-82%. На рис. 2 представлены зависимости этих показателей в функции от номинальной мощности.

Анализ энергетических показателей ТАД (см. рис. 2), свидетельствует о том, что в среднем от 18 до 60% потребляемой асинхронными электроприводами электрической энергии в полезную работу не превращается, причем, чем меньше мощность и частота вращения двигателя, тем меньше энергетический КПД.

При эксплуатации ТАД по различным причинам они выходят из строя и поступают на капитальный ремонт. Опыт эксплуатации показывает, что до 70% ТАД поступает на ремонт по причине выхода из строя обмотки статора. Ремонт обмотки статора осуществляют специализированные электроремонтные предприятия, цехи, участки, как правило, по обмоточным данным завода-изготовителя. Некоторые ТАД за свой срок службы проходят до 4-7 ремонтов. От ремонта к ремонту по различным причинам рабочие, механические и энергосберегающие характеристики ТАД ухудшаются, то есть они становятся энергорасточительными. В этих случаях приходится двигатель или эксплуатировать с меньшей нагрузкой, или компенсировать убытки, вызванные потерями энергии, или сдавать в лом и покупать новый. Это экономически не выгодно.

Известная концепция повышения энергоэффективности электрооборудования переменного тока, в том числе и ТАД, основанная на явлении резонанса токов в электрической цепи, заключается в компенсации реактивного тока индуктивного характера реактивным током емкостного характера. На практике реализация этой концепции осуществляется путем подключения параллельно к рабо-

1 - вентиляторы

2 - транспортеры

3 - насосы

4 - механизмы перемещения

5 - станки обрабатывающие

6 - компрессоры, дробилки ?—другие механизмы--------

45

40

35

30

25

20

15

10

5

0

6 7

Механизмы

45 Диапазон мощности

Рис. 1. Диаграммы распределения ТДД

по механизмам в промышленности (а) и по мощности и потребляемой электроэнергии

%

%

2

3

2

3

4

5

тающему ТАД или трехфазной конденсаторной батареи, или статического компенсатора реактивной мощности, или создание электропривода по системе ПЧ-АД, ТРН-АД. Особенностью этих технических решений является то, что компенсация реактивного тока происждит в кабеле, питающем электродвигатель, и системе электроснабжения. При этом энергетические показатели ТАД практически не изменяются. Кроме того, в системах ПЧ-АД, ТРН-АД энергетические показатели собственно двигателя снижаются дополнительно на 3-7% из-за высших гармонических составляющих токов [1]. Экономический эффект от систем ПЧ-АД, ТРН-АД достигается, преимущественно, за счет уменьшения потребления электрической энергии путем регулирования механической мощности двигателя изменением частоты вращения вала в соответствии с технологической нагрузкой рабочей машины.

В данной работе предлагается новая концепция повышения энергоэффективности асинхронных электроприводов, основанная на известной концепции, однако отличающаяся от нее тем, что вместо явления электрического резонанса токов, характерного для электрических цепей, используется явление феррорезонанса токов в конкретных электромагнитных системах, содержащих электротехническую сталь. Техническая реализация новой концепции, применительно к асинхронным двигателям, заключается в том, что компенсирующий конденсатор подключается к одной из трехфазных обмоток асинхронного двигателя, связанной через электромагнитное поле с другими его трехфазными обмотками. Такое техническое решение позволяет использовать электротехническую сталь электрической машины для значительного увеличения эффекта компенсации реактивного тока индуктивного характера небольшим реактивным током емкостного характера. В предлагаемой концепции компенсация реактивного тока происходит в электромагнитной системе и это, кроме уменьшения потребляемого тока, ведет к улучшению других показателей энергоэф-фекгивности двигателя. При оптимальном подборе параметров электромагнитной системы и компенсирующего конденсатора достигается коэффициент мощности, равный единице, и повышение КПД двигателя.

Техническое решение,

позволяющее реализовать новую концепцию, изложено в патенте [2]. Конструктивно новый энергоэффективный асинхронный двигатель

(ЭАД) отличается от ТАД наличием на статоре двух трехфазных обмоток, одна из которых включается в трехфазную электросеть, а другая - на трехфазный конденсатор определенной емкости.

В отличие от ТАД, оптимально спроектированный ЭАД в установившихся режимах

работы не потребляет из электросети реактивные ток и

мощность. Онработаетс созф=1,0. Энергетический КПД ЭАД составляет не менее 80-93%, что на 13-20% выше энергетического КПД ТАД [2, 3].

Изложенная концепция и техническое решение могут быть реализованы путем создания новых ЭАД в условиях электромашиностроительных предприятий или путем модернизации ТАД в электроремонтных предприятиях при капитальном ремонте их обмоток статора без изменения магнитной системы. Это позволит, кроме получения после ремонта энергосберегающего асинхронного двигателя, сохранить материальные ресурсы - дорогостоящую электротехническую сталь, конструктивные элементы машины, которые, как правило, имеют многократные запасы по своим характеристикам, а также сберечь вложенные в них и в создание электрической машины трудозатраты.

Первый путь предусматривает проектирование и создание нового асинхронного двигателя. Этот путь изложен в публикации [4]. В данной работе предлагается путь модернизации ТАД в электроремонтных предприятиях. Для реализации этого пути разработаны методика электромагнитного пересчета параметров ТАД на параметры ЭАД и технология реконструкции, предусматривающая использование уже созданной ферромагнитной системы двигателя.

Сущность разработанной методики электромагнитного пересчета параметров ТАД на параметры ЭАД поясняется блок-схемой на рис. 3.

В блоке 1 вводятся номинальные данные реконструируемого ТАД и создаваемого ЭАД; Рцдд, мм2 -площадь паза, занимаемая медью обмотки статора; Різад, Рзэдд, мм2 - площади паза, занимаемые медью рабочей и компенсационной обмоток; Ри1з, мм2 -площадь паза, занимаемая изоляцией между рабочей и компенсационной обмотками; к31=Ш3/Ш1 - коэффициент трансформации между обмотками статора; ктэ=ШІТАД^ІЗАД - отношение чисел витков обмотки статора ТАД и рабочей обмотки ЭАД. В блоках 2, 3 рассчитываются параметры Т-образной схемы замещения ТАД, обмоточные данные ЭАД. В блоке 4 проверяется условие Різад+Рззад2Р1тад. Если условие не

0,1 0,2 0,4 1 2 4 10 20 40 100

Р2н, кВт

а б

Рис. 2. Энергетические показатели ТАД в зависимости от номинальной мощности:

а - номинальные КПД и коэффициент мощности; б - номинальный энергетический КПД

удовлетворяется - необждимо изменить входные параметры: к31 и диаметры обмоточных проводов. В блоке 5 проверяется условие 113<1Д0П, 11,3 - плотность тока в рабочей и компенсационной обмотках, ^оп - допустимая плотность тока. Если условие не выполняется - изменяются параметры рабочей обмотки (РО) и компенсационной обмотки (КО). В блоке 6 проверяется условие Л13<Лд0П, Л13 - линейная токовая нагрузка статора ЭАД, Адоп - допустимая линейная токовая нагрузка статора. Линейная токовая нагрузка статора ЭАД рассчитывается по формуле [5]

А 1,3 =

л- Б1 • а1

1на

+ 1 '3а )2 +

где Ііна, ІінР- активная и реактивная составляющие

Рис. 3. Блок-схема пересчета ТАД в ЭАД

тока рабочей обмотки при номинальной нагрузке двигателя; 1'3а, 1'3р - активная и реактивная составляющие тока компенсационной обмотки, приведенного к рабочей обмотке статора; 21 - число пазов статора; Ып1-число проводников в пазах статора; Б1 - внутренний диаметр статора, мм; а1- число параллельных ветвей обмоток статора.

Если условие А132АД0П не выполняется - изменяются параметры РО и КО. В блоке 7 рассчитываются параметры Т-образной схемы замещения ЭАД по формулам [6]:

^1ЭАД _ Я1ЭАД

Я

-І^ізад ;

Етдтт - Р

Я

1ЭАД

1ТАД ( Р1ТАД Ри 1,3

кТЭ (Р1ТАД

ЗЭАД)

X

ХцАД (Ь1 ТАД ЬЗЭАД

)

1ЭАД

7' — Т?'

^3ЭАД _ ЗЭАД

-К ^ЗЭАД ХС3) Я1ТАД

ЗЭАД

х;

к31 Р3ЭАД ХцАД (Ь1ТАД _ Ь1ЭАД

)

ЗЭАД

к31 Ь1ТАД

где ^ 1эад, 2'3эад - комплексные сопротивления рабочей и компенсационной обмоток ЭАД; Ь1ТАд - высота паза статора ТАД; Ь3тад - высота паза, занимаемая компенсационной обмоткой ЭАД; Ь^ад - высота паза, занимаемая рабочей обмоткой ЭАД.

В блоке 8 рассчитываются параметры ветви намагничивания ЭАД Zшэдд по формуле [6]:

"тЭАД

= 2 (Zн

ЭАД

^1ЭАД ) ^тТАД ^нТАД Х

Х1/[2 (^нТАД ^1ТАД )^нЭАДк ТЭ -ктэ2тТАд^ЭАД + ^тТАД^нТАД] ,

где ^^нТАд, ^нЭАд - комплексные номинальные сопротивления ТАД и ЭАД; ZlXAд, 2ттдд - комплексные сопротивления обмотки статора и ветви намагничивания ТАД.

В блоке 9 осуществляется расчет емкостного сопротивления и емкости компенсирующего конденсатора для получения двигателя с желаемым cosфж по формулам:

в ЧН 3“+2у

Хс — — +

С3 4А 2

С3 =-

1

2п£Х'

С3

коэффициенты которыхопределяются по [7].

Зависимость энергетического КПД от мощности Pj Естественные механические характеристики

о пни 2М j и и 4-ML- 540 bill! 7М йі>: вОй ійМ 11йй іїйЬ iSW 14йй iSM 164й

Рис. 4. Рабочие (энергетические) и механические характеристики ТАД и ЭАД типа 4А225М4У3

для шламового насосного агрегата

В блоке 10 проверяется условие Xc>0, Im(Xc)=0. Если корни уравнения X'c3 комплексные или не имеют физического смысла - увеличивают желаемый угол сдвига между питающим напряжением и током на величину Дір*. В блоках 11, 12 осуществляется расчет рабочих и механических характеристик ЭАД и ТАД, результаты расчетов выводятся в виде таблиц или графиков. На основе анализа рабочих и механических характеристик ТАД и ЭАД принимается решение о целесообразности модернизации исходного двигателя.

С помощью разработанной методики электромагнитного расчета спроектированы, созданы методом реконструкции ТАД в ЭАД и внедрены в электроприводы рабочих машин: общепромышленные асинхронные двигатели АИР71-В2, ДАТ-126 для электромашиностроительного завода ОАО «Электромашина» [В]; асинхронные двигатели типа 4А112М2 и АИР180 S2 для насосных агрегатов МП треста «Теплофикация» (г. Магнитогорск); асинхронные двигатели АИР 180-8 для нефтяных станков-качалок ОАО «Татнефть» [9]; асинхронные двигатели 4А225М4У3, Ргн=55 кВт; UlH=220 В; "qH=0,935; cosфн=1,0; IH=89,1 А, для шламового насосного агрегата ЗАО «Горно-обогатительное производство» группы компаний ОАО «ММК»

(г. Магнитогорск). На рис. 4 приведены рабочие (энергетические) и механические характеристики ТАД и ЭАД типа 4А225М4У3.

Из анализа характеристик (см. рис. 4), очевидны преимущества ЭАД, в частности, номинальный энергетический КПД увеличивается на 10-12%, при коэффициентах загрузки двигателя в диапазоне 0,25-0,55 - на 40-25%, критический и пусковой моменты возрастают на 18%. Увеличение Мкр ЭАД объяснжтся уменьшением Х1Эдд, а Мп - некоторым увеличением Яіздд.

Опыт промышленного применения ЭАД в нефтедобывающей, горной, металлургической промышленности, а также на предприятиях ЖКХ показывает целесообразность применения изложенной в данной работе концепции создания энергоэффективных асинхронных двигателей путем индивидуальной компенсации их реактивной мощности. В таблице приведены главные экономические показатели электроприводов, созданных путем модернизации ТАД в ЭАД.

Выводы

1. Концепция, основанная на индивидуальной компенсации реактивных индуктивных токов электромагнитных устройств путем использования явле-

Основные экономические показатели электроприводов

Механизм, мощность Рн Количество ЭАД, шт. Установленная мощность, кВт Экономический эффект В год

кВт ч руб.

Электропривод нефтяной качалки Рн=18,5 кВт; ОАО «ТАТНЕФТЬ» 42 777 505050 909090

Электропривод насосатеплового пункта Рн=22 кВт; МУП «Теплофикация», г. Омск 18 396 237600 403920

Электропрквод вентилятора градирни Рн=37 кВт; МУП «Теплофикация», г. Омск 4 148 88800 150960

Электропривод насоса теплогенератора Рн=55 кВт; ООО «Экоэнергия», г. Москва 2 110 71500 128700

Электропривод волочильного стана Рн=55 кВт; ОАО « ММК-Метиз», г. Магнитогорск 3 165 66000 99000

Электроприводы насосов систем холодного и горячего водоснабжения Рн=7,5 кВт; Рн=22 кВт; МУП «Трест Теплофикация»; «Водоканал» 30; 50 1325 795000 1240000

Электропривод шламового насоса Рн=55 кВт; ЗАО «Горнообогатительное производство» группы компаний ОАО «ММК», г. Магнитогорск 2 110 79000 136000

ния феррорезонанса токов позволяет существенно повысить энергоэффекгивность электротехнических комплексов и систем.

2. Индивидуальная компенсация реактивной мощности в асинхронных двигателях уменьшает потребляемый ток на 10-15%, повышает созф до единицы, энергетический КПД - на 13-20%.

Список литературы

1. Лезнов Б.С. Энергосбережение и регулируемьй привод в насосных и воздуходувных установках. М.: Энергоагсмиздаг, 2006.

2. Паг. 2112307 Ш, МКИ 6 Н02 к 17/28. Асинхронная компенси-рованная электрическая машина / Савицкий А.Л., Мугали-мовР.Г., Савицкая Л.Д.// Открытия. Изобретения. 1998. № 15.

3. Мугалимов Р.Г., Мугалимова А.Р., Губайдуллин А.Р. Экспериментальные исследования электроприводов волочильного стана на основе энергосберегающих асинхронных двигателей // Изв. вузов. Электромеханика. 2009. № 1. С. 43-47.

4. Мугалимова А.Р., Мугалимов Р.Г., Космагов В.И. Метод и алгоритм проектирования компенсированного энергосберегающего асинхронного двигателя // Сборник материалов V Меж -дународной (XVI Всероссийской) научной конференции, 18-21 сентября 2007 г. СПб., 2007. С. 281-284.

5. Мугалимова А.Р. Обоснование и расчет линейной токовой и тепловой нагрузок энергосберегающего асинхронного двигателя с индивидуальной компенсацией реактивной мощности // Материалы 65 науч.-те<н. конференции: сб. докл. Т. 2. Магнитогорск: МГТУ, 2007.

6. Мугалимова А.Р., Космагов В.И., Мугалимов Р.Г. К определению параметров схемы замещения компенсированного асинхронного двигателя при его создании путем реконструкции из традиционного двигателя // Электротехнические системы и комплексы: межвуз. сб. науч. трудов. Вып. № 15 / под род. РадионоваА.А. Магнитогорск: МГТУ, 2009. С. 67-76.

7. Мугалимов Р.Г., Мугалимова А.Р. К определению оптимальной емкости компенсирующего конденсатора для энергосберегающего асинхронного электропривода // Материалы 66-й научно-технической конференции: сб. докл. Магнитогорск: ГОУВПО «МГТУ», 2008. Т. 2. С. 50-53.

8. Мугалимов Р.Г., Савицкий А.Л., Савицкая Л.Д. Характеристики двигательного и генераторного режимов индивидуально ком -пенсированной асинхронной машины // Электромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляемые электромеханические системы // Вестник УГТУ-УПИ. Ч. 1.

Екатеринбург, 2003. С. 159-162.

9. Мугалимова А.Р. Энергосберегающий электропривод нефтя-

ного стана-качалки на основе асинхронного двигателя с инди-видуальной компенсацией реактивной мощности //Энергосбережение и энергоэффекгивность: сб. науч. тр. студентов. Магнитогорск: МГТУ, 2005. С. 97-101.

Bibliography

1. Leznov B.S. Energy saving and controlled electric drive in pumping plants and blower installations. M.: Energoatomizdat. 2006.

2. Patent 2112307 RU, MKI H02 6 to 17/2В. Asynchronous compensated electrical machine / Savitsky A.L., Mugalimov R.G., Savitskaya L.D. // Discoveries. Inventions. 199В. № 15.

3. Mugalimov R.G., Mugalimova A.R., Gubaidullin A.R. Experimental studies of electric drives of a drawing mill, based on energy-efficient induction motors // Proceedings of universities. Electromechanics. 2009. № 1. P. 43-47.

4. Mugalimova A.R., Mugalimov R.G., Kosmatov V.I. The method and design algorithm of the compensated energy-saving induction motor // Proceedings of V International (XVI All-Russian) Scientific Conference, 1В-21 September 2007. St. Petersburg, 2007. P. 2В1-2В4.

5. Mugalimova A.R. Substantiation and calculation of line current and thermal loads of energy-efficient induction motor with selfcompensation of reactive power // Proceedings of the 65th scientific and technical conference. V. 2. Magnitogorsk: MSTU, 2007.

6. Mugalimova A.R., Kosmatov V.I., Mugalimov R.G. Some aspects of determining the parameters of equivalent circuit of a compensated induction motor when it is designed by reconstructing a traditional motor // Electrical systems and complexes. Collected scientific papers. Issue No. 15 / Under the editorship of A.A. Ra-dionov. Magnitogorsk: MSTU, 2009. P. 67-76.

7. Mugalimov R.G., Mugalimova A.R. Determination of optimum capacity of a compensating capacitor for an energy-saving induction motor // Reports of the 66th Scientific Conference: collected reports. Magnitogorsk: SEI of HPE «MSTU», 200В. V. 2. P. 50-53.

В. Mugalimo/ R.G., Savitskyi A.L, Savitskaya L.D. Characteristics of trac-

tion and generator modes of an individually compensated asynchronous machine // Electromechanical and electromagnetic energy converters and controlled electromechanical systems // Bulletin of the Ural State Technical University - UPI. Part 1. Yekaterinburg, 2003. P. 159-162.

9. Mugalimova A.R. Energy-saving electric drive of an oil pumping

installation on the basis of the induction motor with individual compensation of reactive power // Energy saving and energy efficiency: Collected scientific papers of university students. Magnitogorsk: MSTU, 2005. P. 97-101.

УДК 621.311.1:658.26

Буланова О.В., МалафеевА.В., АхметхановА.М.

ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИЧЕСКОЙУСТОЙЧИВОСТИ ГЕНЕРАТОРОВ СОБСТВЕННЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ ОАО «ММК» ПРИ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ РАБОТЕ С ЭНЕРГОСИСТЕМОЙ

Необходимым условием существования систем электроснабжения промышленных предприятий является достаточный запас статической устойчивости генераторов. Современное программное обеспечение в основном ориентировано на крупные энергосистемы. В связи с этим на кафедре электроснабжения промышленных предприятий ГОУ ВПО «МГТУ» было разработано оригинальное программное обеспечение «Расчетустановившихся и перехэдных режимов и

режимов замыкания на землю систем электроснабжения промышленных предприятий с собственными электростанциями», позволяющее оценивать статическую устойчивость систем электроснабжения промышленных предприятий, имеющих в своем составе собственные электростанции. Возможность прогнозирования запаса статической устойчивости позволяет разработать мероприятия по ее повышению, что не-обхэдимо для надежной работы потребителей.