Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Энергосбережение средствами электропривода
Громадная доля электроэнергии, потребляемая электроприводом, - до 65% в развитых странах, и осуществление электроприводом практически всех технологических процессов, связанных с движением, делают особенно актуальнойпроблему энергосбережения в электроприводе и средствами электропривода. В мировой практике к настоящему времени сформировалось несколько основных направлений, по которым интенсивно ведутся исследования, разработки, осуществляются крупные промышленные проекты.
Этот подход, используемый и активно рекламируемый с 70-х годов сначала в США, затем в Европе, может приносить пользу, если технологический процесс действительно не требует регулирования скорости, если нагрузка меняется мало и если двигатель правильно выбран. Во всех других случаях использование более дорогих энергоэффективных двигателей может оказаться нецелесообразным.
Ожидается, что переход от нерегулируемого электропривода к регулируемому в технологиях, где это требуется, может сэкономить до 25-30% электроэнергии. В одной из технологий – в водо- воздухоснабжении – переход к регулируемому электроприводу, как показал опыт, экономит около 50% электроэнергии, до 25% воды и до 10% тепла.
Электропривод (ЭП) потребляют 65 % производимой в мире электроэнергии (ЭЭ), поэтому вопросы энергосбережения ЭП чрезвычайно важны.
Электропривод – это управляемая электромеханическая система, назначение которой - преобразовывать электрическую энергию в механическую и обратно, а также управлять этим процессом. Электропривод имеет два канала - силовой и информационный (рис. 1.1). По первому – транспортируется преобразуемая энергия (широкие стрелки на рис. 1.1), по второму –идет управление потоком энергии, а также сбор и обработка сведений о состоянии и функционировании системы, диагностика [1.1].
Рис. 1.1. Общая структура электропривода
Здесь: ИП, ЭП, ЭМП, МХ– информационный, электрический, электромеханический, механический преобразователи, тонкие стрелки – каналы диагностики неисправностей
В электрическую часть силового канала входят устройства, передающие электрическую энергию от источника питания (шин промышленной электрической сети, автономного электрического генератора, аккумуляторной батареи и т.п.) к электромеханическому преобразователю и обратно, а также преобразование электрической энергии.
Электропривод взаимодействует через информационный преобразователь с информационной системой более высокого уровня. Электропривод как подсистема входит в нее, являясь их частью. Действительно, с точки зрения электроснабжения ЭП является потребителем электроэнергии, в технологии – это источник механической энергии, в АСУ – это развитый интерфейс, связывающий систему с технологическим процессом.
Широкое, практически повсеместное распространение электропривода обусловлено особенностями электрической энергии – возможностью передавать ее на большие расстояния, постоянной готовностью к использованию, легкостью превращения в любые другие виды энергии.
В силовом (энергетическом) канале электропривода (рис. 1.2) мощность Р передается от сети (Р1) к рабочему органу (Р2), но передача и преобразование мощности сопровождается ее потерями Р в силовом канале.
Рис. 1.2. Энергетический канал
Здесь ΔРС, ΔРЭ, ΔРR, ΔРЭМ, ΔРМ, ΔР – потери в силовой сети, электрическом преобразователе, фазных сопротивлениях, электромеханическом и механическом преобразователях и в передачах энергии от электропривода рабочему органу.
Величины, характеризующие преобразуемую энергию, – напряжения, токи, моменты (силы), скорости называют координатами электропривода, и основная функция электропривода состоит в управлении координатами, т.е. в их принудительном направленном изменении в соответствии с требованиями технологического процесса. В правильно организованной системе при управлении потоком энергии потери ΔР должны минимизироваться.
Общее представление об энергетической эффективности нерегулируемого электропривода дает зависимость КПД двигателя с редуктором от относительной нагрузки [1.1]. На рис. 1.3 приведена такая зависимость для электродвигателей (ЭД) средней мощности (15–150 кВт) с хорошим редуктором (КПД больше 0,95).
Рис. 1.3. Типичная зависимость КПД от нагрузки
Видно, что работа с недогрузкой приводит к заметному снижению КПД, поэтому неоправданное завышение мощности двигателя вредно. Так же вредны неудачно организованные циклы, когда холостой ход занимает в цикле большое место. В то же время при использовании преобразователей частоты для регулирования ЭП, затраты составляют всего 100 $/кВт. В регулируемом по скорости электроприводе энергетическая эффективность определяется, главным образом, выбранным способом регулирования, в связи с чем все способы можно разделить на две большие группы в зависимости от того, изменяется или нет ω0 в процессе регулирования.
К первой группе с ω0 = const относятся все виды реостатного регулирования, а также регулирование асинхронного двигателя с короткозамкнутых (КЗ) ротором изменением напряжения при неизменной частоте. Если принять, что Рэм ≈ Р1 и ΔР2 ≈ ΔР2м, то для этой группы получим:
(1.1)
т.е. потери в роторной (якорной) цепи при любой нагрузке пропорциональны разности скоростей Δω (ω0 – ω) или скольжению
При реостатном регулировании лишь часть этих потерь, пропорциональная рассеивается внутри машины и греет ее. Другая часть, пропорциональная рассеивается вне машины, ухудшая энергетические показатели электропривода. В каскадных схемах эта часть используется полезно.
Сложнее и неприятнее соотношение (1.1) проявляется в асинхронном двигателе с КЗ ротором (АДКЗ) при регулировании изменением напряжения или другим способом при постоянной частоте. Здесь вся мощность ΔР2 = Р1s рассеивается в двигателе, нагревая его и делая способ непригодным для продолжительного режима работы. Интересно, что соотношение (1.1) нельзя «обмануть», хотя такие попытки делались и еще делаются.
Ко второй группе с ω0 = var (переменное) относятся все «безреостатные» способы регулирования в электроприводах постоянного тока – изменением напряжения и магнитного потока и частотное регулирование в электроприводах переменного тока. Принципиально способы второй группы энергетически предпочтительны, поскольку в (1.1) разность скоростей Δω ≈ const, однако, в устройствах, обеспечивающих ω0 = var, тоже есть потери и при малых мощностях, небольших диапазонах регулирования и немалой стоимости устройств необходимы детальные сопоставления.
Переходные процессы при быстрых изменениях воздействующего фактора могут сопровождаться большими бросками момента и тока, т.е. значительными потерями энергии. Анализ переходных процессов, отнесенных ранее к первым двум группам начнем с важного частного случая, когда фактор, вызывающий переходный процесс, изменяется мгновенно, а процесс протекает в соответствии со статическими характеристиками.
Потери энергии в цепи ротора или якоря за время переходного процесса tпп с учетом (1.1) определяются так:
(1.2)
Для переходного процесса вхолостую (Мс = 0) будем иметь:
(1.3)
Подставив (1.3) в (1.2) и сменив пределы интегрирования, получим:
После интегрирования получим окончательно
(1.4)
Этот результат очень важен: потери энергии в якорной или роторной цепи за переходный процесс вхолостую (Мс = 0) зависят только от запаса кинетической энергии в роторе при ω0 и от начального и конечного скольжений. При пуске и динамическом торможении они составят Jω02/2 при торможении противовключением 3Jω02/2, при реверсе 4Jω02/2 = 2Jω02/2. Ни форма механической характеристики, ни время переходного процесса, ни какие-либо параметры двигателя, кроме J и ω0, не влияют на потери в роторе. Если в асинхронном двигателе пренебречь током намагничивания и считать, что то Тогда а общие потери энергии в АД составят:
(1.5)
Переходный процесс (ПП) – энергетически очень напряженный режим: потери энергии в десятки раз выше, чем за то же время в установившемся режиме. Для процесса пуска графики ω(М) и ω(t) показаны на рис. 1.4. Для оценки потерь энергии в переходном процессе под нагрузкой Мс ¹ 0, примем, что Мс = const и М = Мср = const. Тогда Р1 = Мсрω0, Р2 = Мсрω, Δ Р = Р1 – Р2 (рис. 1.4), а потери энергии определяются в соответствии с (1.2) заштрихованным треугольником:
Рис. 1.4. Механические характеристики и потери энергии при пуске
или с учетом tпп = Jω0/(Мср - Мс),
.(1.5)
При торможении нагрузка будет снижать потери на величину:
(1.6)
Из изложенного следуют возможные способы снижения потерь энергии в переходных процессах: уменьшение момента инерции за счет выбора соответствующего двигателя и редуктора или за счет замены одного двигателя двумя половинной мощности; замены торможения противовключением динамическим торможением или использование механического тормоза; переход от скачкообразного изменения ω0 к ступенчатому; при удвоении числа ступеней будет вдвое сокращаться площадь треугольников, выражающих потери энергии; плавное изменение ω0 в переходном процессе.
Рассмотрим подробнее последний способ, реализуемый практически в системах управляемый преобразователь – двигатель. При плавном изменении ω0 в ПП, как это уже было показано, должны уменьшаться потери энергии. Это иллюстрируется на рис.1.5, где сравниваются два случая – прямой пуск вхолостую (а) и частотный пуск вхолостую за время t1 >>Tм, т.е. при ускорении e = ω01/t1 (б) – заштрихованные площади. При прямом пуске потери энергии в якорной или роторной цепи определяется площадью заштрихованного треугольника на рис. 1.5,а и составят:
При плавном пуске потери определятся площадью заштрихованной на рис. 1.5,б узкой полосы:
(1.7)
а) б)
Рис. 1.5. Потери при прямом (а) и плавном (б) пуске
Выражение (1.7), полученное при аппроксимации реальной кривой скорости прямой линией справедливо лишь при t1>>Tм. При иных условиях следует использовать более точные модели. Из изложенного следует, что уменьшая e, т.е. увеличивая время ПП и снижая момент, можно управлять потерями энергии, снижая их до любой требуемой величины.
Таким образом, к основным методам энергосбережения ЭП относятся:
1. Применение регулируемых ЭП - РЭП, позволяющих применять плавный пуск при изменении режима работы технологического оборудования и физико-химических свойств обрабатываемого материала, устанавливать оптимальные режимы работы ЭП. Например, переход на регулирование давления и расхода воды РЭП насосных агрегатов взамен дросельного регулирования (заслонками и др.) приводит к исключению потерь напора и экономии ЭЭ примерно на 30 %. Применять энергоэффективные двигатели, в которых за счет увеличения качества удается поднять КПД на 1–2 % (мощные двигатели) или на 4-5 % (небольшие двигатели).
2. Правильный выбор двигателя для конкретного технологического процесса. В европейской практике принято считать, что средняя загрузка двигателей составляет 0,6, тогда как в нашей стране этот коэффициент составляет 0,3–0,4, т.е. привод работает с КПД значительно ниже номинального. Завышенная мощность двигателя приводит к незаметным, но очень существенным отрицательным последствиям в обслуживаемой электроприводом технологической сфере – например, к излишнему напору в гидравлических сетях, связанному с ростом потерь и снижением надежности.
3. Основной путь энергосбережения средствами ЭП – подача конечному потребителю необходимой в каждый момент мощности. Это может быть достигнуто управлением координатами ЭП, т.е. за счет перехода к регулируемому ЭП. Этот процесс стал в последние годы основным в развитии ЭП в связи с появлением доступных преобразователей частоты.
4. Применение силовых модулей РЭП, имеющих максимальный КПД и мощности – управляемых полупроводниковых преобразователей – выпрямителей и инверторов, тормозных модулей и устройств, обеспечивающих рекуперацию ЭЭ от ЭД в сеть; максимально возможное исключение потерь ЭЭ при использовании тормозных резисторов. Так, например, в тяговых ЭП трамваев с пуско-тормозными реостатами потери в обмотках возбуждения достигают 4 %, в якорных обмотках – 8 %, в пуско-тормозных реостатах – 63 % и только 25 % ЭЭ идет на приведение трамвая в движение. Замена реостатного регулирования на транзисторные широтно-импульсные преобразователи (ШИП) резко снижает потери и в результате расход энергии, потребляемый трамваем снижается вдвое.
5. Исключение режимов пуска и торможения технологических агрегатов и комплексов применением дополнительных механизмов с РЭП, переводящих режим в непрерывный. Так, в непрерывном стане холодной прокатки стали автоматизированные РЭП, управляемые от микропроцессорных контроллеров (МПК), обеспечивают синхронные движения всех роторов и конвейеров, заданную точность поддержания скорости и заданные соотношения скоростей и мгновенных положений гнезд конвейера с устройствами выдачи роторов, оптимальные условия работы линии.
При создании и реконструировании ЭП в устройствах электроустановок с целью обеспечения безопасной и безаварийной работы применяются «Правила устройства электроустановок к электроприводам» - ПУЭ.
Перечислим и рассмотрим подробно основные принципы экономии энергии в электроприводе и средствами частотно регулируемого электропривода
Разделим возможные ситуации на две большие группы:
В первой группе основная возможность влиять на энергетические процессы это правильный выбор основного оборудования, в первую очередь, электродвигателя и редуктора, если он используется, а также применение некоторых мероприятий, снижающих потери энергии.
Выбор электрооборудования. Важным и еще очень мало использованным резервом энергосбережения служит правильный выбор основного электрооборудования в простейшем, самом массовом и энергоемком нерегулируемом электроприводе (системах электропривода).
Европейские эксперты считают, что средний коэффициент использования двигателей (отношение средней мощности за цикл к номинальной) составляет 0,6.
Как показывает опыт, в отечественных условиях этот коэффициент иногда существенно ниже. Нередко доля энергетических затрат на производимую продукцию непомерно возрастает, что делает производство нерентабельным.
Существенный эффект в подобных случаях может дать простая замена оборудования (двигателей) или внедрении систем автоматизации, однако корректное решение подобной задачи предполагает достаточно высокую квалификацию персонала.
Здесь весьма эффективны прикладные компьютерные программы, ориентированные на широкий круг специалистов, связанных с электроприводом, и поддерживающие принятие рациональных решений.
Опыт создания таких программ показал, что несмотря на большие затраты, эффективность такого подхода : в руках специалистов оказывается мощный, удобный, очень легко осваиваемый инструмент, позволяющий быстро решать весьма непростые задачи.
Уменьшение потерь в двигателях. В мировой практике с середины 1970-х годов активно пропагандируется использование энергосберегающих двигателей .
Идея очень проста: в асинхронный двигатель проектируют так что закладывают в них на 25...30 % больше активных материалов (алюминия, железа, меди ),при этом на 30 % снижаются энерго-потери и возрастает КПД - до 5 % в небольших двигателях (единицы кВт) и до 1 % в двигателях мощностями около 70... 100 кВт.
Существует множество восторженных публикаций, относящихся к ЕЕМ.
В частности, считается, что если бы все двигатели в Европе были заменены на ЕЕМ, то экономия электроэнергии была бы эквивалентна закрытию шести электростанций по 500 МВт.
Однако это направление энергосбережения содержит ряд спорных и неочевидных обстоятельств.
Во-первых, речь идет о нерегулируемом электроприводе, т.е. сэкономив несколько процентов на потерях в двигателе, в самых массовых и энергоемких применениях (насосы, вентиляторы и т.д.) можно продолжать терять в десятки раз больше в агрегатах, обслуживаемых электроприводом.
Во-вторых, расчетная экономия будет достигаться лишь при мало меняющейся и близкой к номинальной нагрузке. При резко переменной нагрузке, например при значительной доле холостого хода в цикле, экономия будет существенно меньше расчетной.
В-третьих, экономия может быть заметной (рекламируемые 4...5%), если все элементы силового канала правильно выбраны и настроены. Так, потери в ременной передаче, часто используемой, например, в электроприводе вентиляторов, могут варьироваться от 5 до 10... 12 % только за счет нерационального выбора параметров передачи и могут резко возрастать при неверно выбранном натяжении ремней. Таким образом, существует ряд причин, которые могут практически обесценить этот популярный в США и Европе способ энергосбережения в электроприводе.
Уменьшение потерь в питающих сетях. Проблема потерь мощности возникает за счет низкого коэфициента мощности. Проблема компенсации реактивной мощности традиционно пользуется большим (иногда избыточно большим) вниманием в отечественной практике. Найдены и применяются различные технические решения (переключаемые конденсаторные батареи, синхронные компенсаторы, фильтрокомпенсирующие устройства и т.д.).
Как мы видим большинство этих приемов ориентированы на нерегулируемый электропривод, а иногда и сильно недогруженный электропривод с асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором.
К другим способам энергосбережения в нерегулируемом электроприводе можно отнести:
Переход от нерегулируемого электропривода к регулируемому. Этот переход является генеральным направлением энергосбережения, принятым во всем мире и дающим наибольший эффект как в части экономии электроэнергии, так и в других показателях технологического процесса.
Для этого в силовой канал включается дополнительный элемент — преобразователь электрической энергии, подающий к асинхронному двигателю напряжение с регулируемыми амплитудой и частотой (использование частотных преобразователей). В результате обеспечивается подача конечному потребителю необходимой (или оптимальной) мощности и исключаются большие потери в задвижке.
Одна из величин - расход воды - изменяется неуправляемо, поскольку она определяется открытыми в данный момент кранами, а вторая задается насосом и, следовательно, может управляться.
В других технологических процессах свободны для управления обе образующие мощность величины. Так, при пилке бревен, обработке металлов резанием существуют оптимальные режимы, определяемые наилучшим в частных случаях сочетанием скорости и силы резания: Следует подчеркнуть, что в рассматриваемом случае наряду с главным эффектом — существенным снижением потерь в технологической машине, обслуживаемой электроприводом, и в других элементах силового канала достигается ряд дополнительных, часто не менее важных эффектов: рационализируется весь технологический процесс, экономятся другие ресурсы, увеличивается срок службы основного оборудования, снижается шум и т.д. Здесь особенно существенен выбор рационального с технической и экономической точек зрения способа управления величиной (величинами), образующей потребляемую технологическими машинами мощность.
До середины 1980-х годов единственным доступным решением был электропривод постоянного тока.
Его общеизвестные недостатки - дорогая машина и необходимость в обслуживании - ограничивали использование случаями, когда без регулируемого электропривода обойтись было нельзя (станки, металлургические агрегаты, мощные экскаваторы и т.д.).
Электропривод постоянного тока практически не использовался в массовых агрегатах (насосы, вентиляторы и т.д.), там абсолютно преобладал нерегулируемый электропривод с асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором.
Сейчас ситуация радикально изменилась: на широком рынке появились совершенные и доступные электронные преобразователи частоты.
Они выпускаются десятками зарубежных и отечественных фирм, имеют практически одинаковую структуру (неуправляемый выпрямитель-фильтр-автономный широтно-амплитудный модулятор (ШИМ-инвертор)) и развитую систему микропроцессорного управления, обеспечивающую широкие функциональные возможности, надежную защиту привода и другие важные пользовательские функции. Именно эти устройства произвели переворот в современном электроприводе: резко (до 15 %) снизили долю электроприводов постоянного тока в общем парке регулируемых электроприводов, стали основным (и пока практически единственным) средством, реализующим высококачественный регулируемый асинхронный электропривод в массовых применениях.
Вместе с тем предпринимались попытки использовать для регулирования скорости асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором в продолжительном режиме (насосы и пр.) более простые тиристорные регуляторы напряжения.
Эти устройства, широко и успешно применяемые для плавного пуска и останова электропривода («мягкие» пускатели), за редкими исключениями не могут сколько-нибудь эффективно использоваться для непрерывного продолжительного регулирования скорости.
Они требуют, даже при самой благоприятной вентиляторной нагрузке, увеличения мощности двигателя в 2-3 раза, специального исполнения ротора (повышенное скольжение), интенсивного независимого охлаждения и при этом имеют низкую надежность и низкие энергетические показатели.
Столь же неэффективны и другие способы регулирования скорости асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, снованные на изменении напряжения при неизменной частоте (специальные «хитрые» асинхронные двигатели, муфты скольжения и пр.).
Становятся малоэффективными и многоскоростные асинхронные двигатели.
Они тяжелы, дороги, требуют много контактной аппаратуры, стоимость привода соизмерима со стоимостью системы преобразователь частоты — серийный двигатель.
Выход на широкий рынок электронных преобразователей частоты ставит новую задачу — создание асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.
Здесь, по-видимому, удастся существенно сэкономить активные материалы, снизить себестоимость и т.д.
Итак, система электронный преобразователь частоты—асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором становится главным на ближайшие годы техническим решением массового регулируемого электропривода.
Она особенно привлекательна на стадии модернизации, так как сохраняется все существующее оборудование, но между сетью и двигателем включается новый элемент — преобразователь частоты, радикально меняющий весь технический и экономический облик системы.
Источник Основные принципы энергосбережения by powergroup.com.ua
Электроприводы являются основными потребителями электроэнергии в сельском хозяйстве и в промышленности. В этой связи эффективная их эксплуатация является важнейшим направлением энергосбережения.
Наиболее распространенным является электропривод с асинхронным короткозамкнутым электродвигателем. Асинхронный электродвигатель в электроприводе работает при частоте вращения nРАБ, при которой электромагнитный момент электродвигателя равен моменту сопротивления (рисунок 3). Если момент сопротивления изменяется, электродвигатель переходит на другую точку своей механической характеристики (см. рисунок 3). Если предположить, что прежняя рабочая точка соответствовала максимальному к.п.д. электродвигателя, то в новой рабочей точке к.п.д. электродвигателя уменьшится. Кроме того, обороты электродвигателя также уменьшаться, что отразится на производительности рабочей машины и энергоемкости продукта.
На основании изложенного следует целесообразность регулирования частоты вращения и момента электродвигателя.
Рисунок 3. Механические характеристики электропривода: 1 – момент электродвигателя, 2 – исходный момент сопротивления, 3 – изменившийся момент сопротивления
К сожалению, подавляющее большинство асинхронных электродвигателей не имеет устройств регулирования частоты вращения. Отсутствие устройств регулирования находится в противоречии с изменяемой нагрузкой. Устранение этого противоречия позволит уменьшить затраты энергии на электропривод не менее чем на 25%.
Способы регулирования частоты вращения определяются следующей зависимостью:
(14)
где n2 – обороты ротора, об/мин.;
s – скольжение ротора относительно вращающегося поля статора;
n1 – обороты поля статора, об/мин.;
f – частота напряжения, приложенного к электродвигателю, Гц;
р – число пар полюсов обмотки статора.
Как следует из (14) обороты ротора можно регулировать изменением числа пар полюсов обмотки статора (ступенчато), и изменением частоты напряжения в сети (плавно).
При переключении обмотки на другое число пар полюсов при сохранении мощности на валу двигателя изменяется момент (рисунок 4).
Рисунок 4. Изменение механической характеристики при изменении числа пар полюсов: 1 – число пар полюсов р = 1, 2 – число пар полюсов р = 2, 3 – момент сопротивления
Таким образом, при ступенчатом изменении момента сопротивления можно путем изменения числа пар полюсов соответствующим образом изменять механическую характеристику электродвигателя, сохраняя максимальный к.п.д. Такое регулирование типично для вентиляторов производственных помещений при сезонном регулировании подачи вентилятора.
Регулирование путем изменения числа пар полюсов имеет массу недостатков. Во-первых, регулирование ступенчатое, и не всегда соответствует даже ступенчатому изменению момента сопротивления рабочей машины. Во-вторых, система управления электроприводом становится громоздкой, включающей большое количество коммутирующих устройств. Особенно это характерно для трехскоростных электродвигателей. В-третьих, полюсопереключаемые обмотки сложны в изготовлении и ненадежны в эксплуатации. Наличие этих недостатков обусловливает современное состояние использования многоскоростных электродвигателей – выпуск многоскоростных электродвигателей отстает от предложений в сотни раз.
Регулирование путем изменения частоты напряжения сети позволяет получить плавное регулирование механической характеристики. Для изменения частоты обычно применяют широтно-импульсные модуляторы (ШИМ-устройства). ШИМ-модулирование позволяет изменять частоту питающего напряжения, и тем самым изменять обороты ротора.
Кроме изменения частоты регулировать момент асинхронного электродвигателя можно изменением напряжения. Эта возможность обусловлена зависимостью момента электродвигателя от квадрата приложенного напряжения. На рисунке 5 показаны механические характеристики электродвигателя при номинальном и пониженном напряжении.
Недостатками такого способа регулирования является возможность "опрокидывания" элекропривода.
Кроме регулирования механических характеристик электропривода повышению эффективности использования электроэнергии способствует повышение коэффициента мощности асинхронного электродвигателя. Повышение cosφ достигается так же, как и в электрических сетях, включением компенсирующих емкостей. Достоинства и недостатки при этом аналогичны достоинствам и недостаткам для электрических сетей, но регулирование емкости и мощности здесь обеспечиваются с меньшими трудностями. Кроме того, отключенные конденсаторы могут разряжаться на статорную обмотку электродвигателя.
Рисунок 5. Механические характеристики при изменении питающего напряжения
1 – механическая характеристика при номинальном напряжении, 2 - механическая характеристика при напряжении 0,8 UНОМ, 3 – механическая характеристика рабочей машины.
Электронагревательные установки не нуждаются в повышении к.п.д., так как практически вся подведенная энергия идет на нагрев, а значит, превращается в полезную энергию. Однако имеет значение, как полученное тепло используется. С точки зрения использования полученной от электронагревателя теплоты имеются достаточно большие резервы, которые пока не имеют широкого внедрения. Рассмотрим эти резервы.
Наиболее признанным способом повышения эффективности электронагревателей является их включение в часы провала электрической нагрузки и отключение в часы пиковых нагрузок. В этом случае график нагрузки становится более стабильным, что положительно сказывается на эксплуатационном коэффициенте полезного действия силовых трансформаторов (см. 1).
Такой режим работы электронагревателя в свою очередь требует аккумулирования теплоты. По этой причине нагревательные элементы заливают бетоном (электронагреватели для животноводческих и других сельскохозяйственных помещений) или помещают в маслонаполненный бак (бытовые электронагреватели). Массивный наполнитель является хорошим аккумулятором теплоты, которую можно запасти в следующем количестве:
QAK = c m ΔТ (9.15)
где QAK – теплота, запасенная в аккумуляторе, Дж.;
c – теплоемкость аккумулирующего материала, Дж/кг.К;
m – масса аккумулирующего материала, кг;
ΔТ – разность температур между нагретым аккумулятором и окружающей средой, К.
Обычно требуется температура выше температуры окружающей среды, в этом случае полезная теплота аккумулятора несколько меньше запасенной теплоты.
Недостатком такого теплового аккумулятора является то, что температура аккумулирующего материала начинает уменьшаться сразу же после отключения электроэнергии. Это значительно сужает временные интервалы его работы и отключения и снижает эффективность использования электроэнергии.
Гораздо эффективнее применять тепловые аккумуляторы с материалом, который в диапазоне требуемых температур претерпевает фазовые превращения. В этом случае теплота, подведенная к аккумулятору, расходуется следующим образом:
QAK = c m ΔТ + λm (16)
где λ – коэффициент фазового превращения, Дж/кг.
После достижения температуры фазового перехода, например, плавления, подведенная теплота расходуется на фазовое превращение аккумулирующего вещества, и температура аккумулятора не растет. Если теплоту подводить до полного расплавления аккумулирующего вещества, а затем прекратить ее подачу (отключить электронагреватель), то температура на поверхности аккумулятора будет оставаться постоянной до тех пор, пока аккумулирующее вещество полностью не кристаллизуется. Очевидно, что аккумулятор с фазовым переходом имеет гораздо бóльшие возможности использования провалов и пиков электрической нагрузки.
Наряду с описанным направлением энергосбережения в электронагревательных установках не потеряли актуальности и вопросы теплоизоляции обогреваемого пространства, автоматического регулирования температуры, использования для обогрева помещений отводимого тепла.