Основные понятия и тенденции развития энергосбережения

 

1ОСНОВНЫЕ  ПОНЯТИЯ И ТЕНДЕНЦИИ  РАЗВИТИЯ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ

 

Современный этап развития Украины характеризуется острым энергодефицитом, так как потребность  в использовании топливно-энергетических ресурсов за счет собственной их добычи  удовлетворяется меньше, чем на 50%.

В 1998 году в Украине произведено 173 млрд.  кВт  ч  электроэнергии (см. рис.1.1), в том числе электростанциями объединенной энергетической системы (ОЭС) Украины-171978,7 млн. кВт·ч. За 1997 год было выработано 177024,4 млн. кВт·ч. Следовательно, снижение производства электроэнергии  в 1998 году составляет 5045,7 млн. кВт·ч, или 2,9 %.

Главными причинами падения объемов производства электроэнергии остается спад промышленного производства на предприятиях Украины и крайне низкая платежеспособность отечественных потребителей.

Рисунок 1.1 – График падения  электроэнергии

 

В стране  эксплуатируется  больше 1 млн. км воздушных и кабельных  линий электропередач всех классов напряжений, а также 5,4 тыс. единиц трансформаторных подстанций общей мощностью 160 тыс. МВ×А.

Одной из проблем украинской энергетики есть то, что недостает маневровых мощностей, которые позволяют покрывать спрос на электроэнергию во время пиковых нагрузок, а также перетоки электроэнергии.

Энергосбережение - это комплекс мероприятий, направленных на рациональное  использование энергетических  ресурсов. В результате снижается потребность в топливно-энергетических ресурсах на единицу конечного продукта и уменьшается неблагоприятное влияние на окружающую среду.

Электрическая энергия имеет  ряд особенностей:

• она непосредственно не подлежит визуальному восприятию;
• легко превращается в иные виды энергии (например, в тепловую, механическую);
• достаточно просто и с большой скоростью передается на большие расстояния;
• возможный ее раздел (деление) в электрических сетях;
• проста в использовании с помощью машин, установок, приборов;
• позволяет изменять свои параметры (напряжение, ток, частота);
• удобна для контроля и управления;
• качество ее определяет качество работы оборудования, которое потребляет эту энергию;
• качество энергии в месте производства не может служить гарантией ее качества в месте потребления;
• неразрывность во временном измерении процессов производства и потребления энергии;
• процесс передачи энергии сопровождается ее потерями.

Электрическую энергию передает электромагнитное поле проводника, этот процесс имеет волновой характер. Причем часть электроэнергии, которая передается, расходуется в самом проводнике, то есть теряется. Отсюда вытекает понятие «потери электроэнергии ». Потери электроэнергии есть во всех элементах электрической системы: генераторах, трансформаторах, линиях электропередачи и т. п., а также в электроприёмниках (электрических двигателях, электротехнологических устройствах и агрегатах).

Общая потеря электроэнергии складывается из двух частей: номинальных потерь, которые определяются условиями работы при номинальных режимах и оптимальном выборе параметров системы электроснабжения, и дополнительных потерь, обусловленных отклонением режимов и параметров от номинальных значений. Экономия электроэнергии в системах электроснабжения основывается на минимизации как номинальных, так и дополнительных потерь.

Мероприятия по эффективному использованию электрической энергии следует выбирать, исходя из принципа достижения минимума затрат при выполнении условий надежности системы электроснабжения и качества электрической энергии. Необходимо выполнять  малорасходные мероприятия по снижению потерь и повышению уровня эксплуатации элементов системы электроснабжения

Основным направлением в  области энергосбережения является экономия электроэнергии при ее передаче, распределении и использовании. Реальное энергосбережение затрагивает вопросы работы электроснабжающих сетей, преобразователей энергии всех типов и технологических механизмов.

Энергосберегающими мероприятиями  при передаче электроэнергии являются:

• рациональный выбор уровня напряжения питающей сети и рода   тока (постоянный или переменный);
• принятие экономически целесообразного сечения проводов и кабелей;
• повышение коэффициента мощности;
• приближение источников питания к потребителям;
• оптимизация графиков нагрузок и т.д.

Эффективность энергосберегающих  мероприятий потребителей электроэнергии может быть значительно выше, т.к. более 90% вырабатываемой энергии потребляется системами электропривода, электротехнологическими и осветительными установками. Самые крупные резервы энергосбережения заложены в совершенствовании электропривода, на долю которого приходится около 60% всей потребляемой электроэнергии. В некоторых отраслях промышленности потребление электроэнергии электроприводом доходит до 80%. Уменьшение скорости двигателя до скорости рабочего механизма помогает экономить энергию и улучшает управление технологическим процессом. В то же время об экономичности привода говорить рано, хотя бы в силу малых фактических значений коэффициентов загрузки привода.

Электропривод, по сравнению  с другими типами приводов, обладает рядом преимуществ:

• работа без отходов и бесшумность создаёт комфорт для людей;
• высокий КПД, т.е. выделяется меньше тепловых потерь. Вследствие этого уменьшены габариты и площадь охлаждения;
• электропривод регулируемый и обратимый.

Электроприводы со сложным, тонко управляемым технологическим  процессом составляют небольшую  долю от общего числа. Основная же их часть  – простые, обычно нерегулируемые массовые устройства, такие как вентиляторы, насосы, конвейеры, подъёмные краны, механизмы в перерабатывающей промышленности, строительстве и т.д. Именно эти объекты являются основными потребителями электроэнергии и здесь возможна реальная ее экономия.

Рассмотрим процессы, влияющие на энергосбережение в электроприводе и определяющие тенденции его развития:

• рост энергоемких технологий при возрастающей сложности получения энергии, дефиците доступных энергоресурсов. Добыть тонну топлива и выработать соответствующее количество электроэнергии примерно вдвое дороже, чем сэкономить. В дальнейшем эта разница растет;
• усложнение технологии, что приводит к увеличению доли регулируемого или управляемого по пуску электропривода. Заканчивается дискуссия о возможных вариантах регулируемого электропривода – практически однозначно выбор делается в пользу электропривода переменного тока;
• возрастающие требования создания условий для безаварийной работы электропривода за счет повышения эффективности управления режимами энергоиспользования электрических машин, энергоснабжающих сетей;
• бурное развитие преобразовательной техники (запираемых тиристоров и силовых транзисторов) и средств управления (микроэлектроники, микропроцессорной техники и т.д.);
• появление доступных каждому инженеру мощных вычислительных средств, открывающие новые возможности рационального проектирования и оптимизации электропривода.

Поэтому актуальной является задача разработки и широкого внедрения  энергосберегающих мероприятий и средств промышленного электропривода.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ СИСТЕМЫ РЕГУЛИРУЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

 

2.1Частотно-регулируемый  электропривод с асинхронным  двигателем

 

Основными типами регулируемых асинхронных электроприводов с  короткозамкнутыми двигателями  являются:

• частотно – регулируемый электропривод, позволяющий удовлетворить самые высокие требования по диапазону и качеству регулирования скорости и отработке сложных законов движения;
• система с реализацией энергии скольжения – асинхронно-вентильный каскад АВК;
• система тиристорный регулятор напряжения – асинхронный двигатель ТРН-АД, предназначенная для массовых электроприводов с управляемыми пускотормозными режимами, режимами кратковременного снижения скорости.

Скорость асинхронных  двигателей практически пропорциональна  частоте напряжения питающей сети. Таким образом, изменение скорости вращения двигателя может быть достигнуто путём изменения частоты потребляемого  напряжения. С другой стороны, момент двигателя пропорционален магнитному потоку в воздушном зазоре двигателя. Последний, в свою очередь, пропорционален питающему напряжению и обратно пропорционален частоте питающего напряжения. Таким образом, момент двигателя может быть изменён путём подстройки питающего напряжения под любую требуемую частоту.

Соответственно, используя двигатель переменного  тока для получения постоянного  момента при изменяющихся скоростях, необходимо иметь источник энергии с регулируемым напряжением и регулируемой частотой, который будет поддерживать постоянным отношение:

U / f=const,

где U - напряжение питающей сети; f - частота.

Самый известный  способ получения этого типа энергии - это преобразование переменного тока на промышленной частоте 50 Гц в постоянный ток с помощью выпрямителя, а затем обратно в переменный ток при помощи инвертора. В этой схеме напряжение регулируется выпрямителем, а частота инвертором.

Основными элементами частотно-регулируемого  привода являются выпрямитель, инвертор, асинхронный или синхронный двигатель, программируемый микроконт -роллер. В добавление к перечисленному используются индуктивности и (или) ёмкости для стабилизации выхода выпрямителя и минимизации уровня высших гармоник.

Обобщённая  функциональная схема частотно-регулируемый электропривод показана на рисунке 2.1.

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2.1 - Функциональная схема частотно-регулируемого электропривода

 

Системы частотно-регулируемого электропривода могут быть классифицированы по типу двигателя и по типу преобразователя.

Частотно-регулируемый электропривод с асинхронным двигателем:

- c инвертором тока;

   - c инвертором напряжения.

Частотно-регулируемый электропривод с синхронным двигателем:

- с инвертором тока, часто называемым инвертором с коммутируемой нагрузкой (load-commutated inverter - LCI);

-  с инвертором напряжения.

В дополнение используется техника, известная как широтно-импульсная модуляция ШИМ (PWM). В этой схеме применяется неуправляемый выпрямитель, а переменный ток с регулируемой частотой и регулируемым уровнем напряжения формируется инвертором. ШИМ уменьшает содержание гармоник на выходе инвертора путём улучшения формы кривой тока инвертора тока или формы напряжения на выходе инвертора напряжения.

Сумма свойств, включая некоторые преимущества и недостатки трёх типов частотно-регулируемых электроприводов, показаны в таблице 6.1.

 

Таблица 6.1 - преимущества и недостатки частотно-регулируемых электроприво- дов

	Инвертор напряжения	Инвертор   тока	ШИМ
Совместимость	да	нет	да
Плавный старт	да	да	да
Настройка	по выбору	встроенная	по выбору
Нагрев двигателя	низкий	низкий	высокий
Шум двигателя	низкий	низкий	высокий
Частичная нагрузка	да	неустойчива	да
Работа на низких скоростях	нет	нет	плавная
Низкоскоростные пульсации  момента	да	да	нет
Частота выше 50 Гц	да	нет	да
Защита от разрыва цепи	встроенная	требуется	встроенная
Защита от короткой цепи	требуется	встроенная	требуется
Защита от перегрузки	требуется	встроенная	требуется
Многодвигательный привод	да	по выбору	да
Контроллер и  логика	простая	более сложная	сложная
50 Гц коэффициент мощности	низкий	низкий	высокий
50 Гц гармоники	высокие	высокие	низкие
Гармоники двигателя	умеренные	умеренные	высокие
Всплески напряжения	нет	есть	есть
Размер фильтра  постоянного тока	большой	большой	малый
Шум инвертора	средний	средний	высокий
Транзисторная технология	да	нет	да
Коммутация инвертора	низкая  частота	низкая  частота	высокая частота
Размер и вес	средний	большой	малый