Организационные мероприятия по компенсации реактивной мощности, потребляемой асинхронными двигателями

 

Рекомендовано для использования в учебном процессе
учебно-методической комиссией направления

140400 «Электроэнергетика и электротехника»

 

Кемерово 2013

Рецензенты:

 

Ефременко В. М., доцент кафедры ЭГиПП

 

Каширских В. Г., профессор кафедры ЭПА, председатель УМК направления 140400 «Электроэнергетика и электротехника»

 

Беляевский Роман Владимирович. Организационные мероприятия по компенсации реактивной мощности, потребляемой асинхронными двигателями [Электронный ресурс]: метод. указания к практическим занятиям по дисциплине «Компенсация реактивной мощности в системах электроснабжения» для магистрантов направления 140400.68 «Электроэнергетика и электротехника», профиль «Электроснабжение» очной формы обучения /
Р. В. Беляевский. – Электрон. дан. – Кемерово: КузГТУ, 2013. –
1 электрон. опт. диск (CD-ROM); зв.; цв.; 12 см. – Систем. требования: Pentium IV; ОЗУ 32 Мб; Windows ХР; (CD-ROM-дисковод); мышь. – Загл. с экрана.

 

Рассмотрены основные организационные мероприятия
по компенсации реактивной мощности, потребляемой асинхронными двигателями. Подробно рассмотрено влияние нагрузки электродвигателей на потребление реактивной мощности. Приведены основы технико-экономических расчетов целесообразности замены малозагруженных асинхронных двигателей электродвигателями меньшей номинальной мощности.

 

 

© КузГТУ

© Беляевский Р. В.

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

 

1. Ознакомиться с основными организационными мероприятиями по компенсации реактивной мощности, потребляемой асинхронными двигателями.

2. Изучить особенности влияния нагрузки асинхронных двигателей на потребление реактивной мощности.

3. Освоить методику технико-экономических расчетов целесообразности замены малозагруженных асинхронных двигателей электродвигателями меньшей номинальной мощности.

 

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

 

2.1. Организационные мероприятия по компенсации реактивной мощности, потребляемой асинхронными двигателями

 

Асинхронные двигатели являются основными потребителями реактивной мощности в промышленности. На их долю приходится 40–50 % всей реактивной мощности, используемой в электрических сетях предприятий. Поэтому в системах промышленного электроснабжения снижение реактивной мощности, потребляемой электродвигательной нагрузкой, является актуальной задачей, необходимость рационального решения которой определяется различными техническими и экономическими факторами.

Эффективным средством, обеспечивающим естественное уменьшение реактивной мощности, потребляемой электродвигателями, является проведение организационных мероприятий
по компенсации реактивной мощности. Данные мероприятия связаны с рационализацией работы электрооборудования и не требуют применения специальных компенсирующих устройств. Поэтому при решении вопроса компенсации реактивной мощности
на промышленных предприятиях организационные мероприятия должны рассматриваться в первую очередь, т. к. для их осуществления, как правило, не требуется значительных затрат.

Основными организационными мероприятиями по компенсации реактивной мощности, потребляемой асинхронными двигателями, являются:

– рациональный выбор электродвигателей по номинальной мощности и типу;

– замена малозагруженных асинхронных двигателей электродвигателями меньшей номинальной мощности (изъятие избыточной электродвигательной мощности);

– понижение напряжения в обмотках асинхронных двигателей, систематически работающих с малой загрузкой;

– ограничение холостого хода асинхронных двигателей;

– повышение качества ремонта электродвигателей.

Рассмотрим данные мероприятия более подробно.

 

2.2. Рациональный выбор электродвигателей по номинальной мощности и типу

 

Номинальную мощность электродвигателей следует выбирать в соответствии с режимом работы производственного оборудования, не допуская излишних запасов по мощности.

Асинхронный двигатель работает с наиболее высокими энергетическими показателями при загрузке 75–90 % номинальной мощности. При равных прочих условиях относительно мощности, частоты вращения и типа исполнения асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором имеют лучшие энергетические характеристики, чем двигатели с фазным ротором. Поэтому когда применение электродвигателей с фазным ротором не обусловлено условиями пуска и работы, целесообразно применять асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором.

Электродвигатели закрытого типа имеют худшие энергетические показатели по сравнению с асинхронными двигателями открытого или защищенного типа той же мощности и частоты вращения. Поэтому не следует устанавливать их там, где по условиям окружающей среды и безопасности допускается установка электродвигателей открытого или защищенного типа.

При этом очевидно, что рациональный выбор электродвигателей по мощности и типу следует производить еще на стадии проектирования с тем, чтобы впоследствии избежать изъятия их избыточной мощности в процессе эксплуатации.

 

 

2.3. Замена малозагруженных асинхронных двигателей электродвигателями меньшей номинальной мощности

 

2.3.1. Влияние нагрузки асинхронных двигателей на потребление реактивной мощности

 

Рассмотрим процесс потребления реактивной мощности асинхронными двигателями, основываясь на Г-образной схеме замещения (рис. 1).

 

 

Рис. 1. Г-образная схема замещения асинхронного двигателя

 

Реактивная составляющая тока нагрузки определяется
по формуле:

. (1)

 

Тогда потребляемая реактивная мощность составит:

 

, (2)

 

где I ₀ – ток холостого хода; Q ₀ и Q _р – реактивные мощности намагничивания и полей рассеяния соответственно.

Из формулы (2) видно, что реактивная мощность Q ₀ не зависит от нагрузки, в то время как реактивная мощность Q _р изменяется пропорционально квадрату нагрузки. Следовательно, реактивная мощность, потребляемая асинхронными двигателями, складывается из двух составляющих – реактивной мощности намагничивания и реактивной мощности полей рассеяния,
и определяется по формуле:

 

, (3)

 

где Δ Q _н – потери реактивной мощности в электродвигателе
на рассеяние при номинальной загрузке, кВАр; k _з = P / P _н – коэффициент загрузки электродвигателя по активной мощности;
P – активная нагрузка электродвигателя, кВт; P _н – номинальная мощность электродвигателя, кВт.

Реактивная мощность намагничивания, потребляемая электродвигателем при холостом ходе, определяется по формуле:

 

, (4)

 

где U _н – номинальное напряжение электродвигателя, В; I ₀ – ток холостого хода электродвигателя, А.

По опыту эксплуатации для асинхронных двигателей малой мощности усредненные относительные значения тока холостого хода I ₀ составляют 35–60 % от номинального тока электродвигателя I _н, для асинхронных двигателей большой и средней мощности – 25–35 % от номинального тока.

Потери реактивной мощности в асинхронном двигателе
на рассеяние при номинальной загрузке, соответствующие относительному увеличению потребления реактивной мощности электродвигателем при полной загрузке по сравнению с потреблением при холостом ходе, определяются по формуле:

 

, (5)

 

где Q _н – реактивная мощность, потребляемая электродвигателем при номинальной загрузке, кВт; η_н – номинальный КПД электродвигателя; tgφ_н – номинальный коэффициент реактивной мощности электродвигателя.

Таким образом, потребление реактивной мощности асинхронными двигателями зависит от их нагрузки, а также от их технических характеристик. При снижении коэффициента загрузки электродвигателей относительная величина потребляемой ими реактивной мощности значительно возрастает. При этом основную часть реактивной мощности, потребляемой асинхронными двигателями при малых загрузках, составляет реактивная мощность намагничивания.

 

2.3.2. Технико-экономический расчет целесообразности замены малозагруженных асинхронных двигателей электродвигателями меньшей номинальной мощности

 

При систематической недогрузке асинхронных двигателей необходимо предпринимать меры к увеличению их загрузки путем рационализации технологического процесса и повышения загрузки производственного оборудования. Если после этого коэффициент загрузки остается низким, то необходимо рассматривать вопрос о замене малозагруженных асинхронных двигателей электродвигателями меньшей номинальной мощности.

Установлено, что если средняя загрузка асинхронных двигателей составляет менее 40 % номинальной мощности, то замена их менее мощными является целесообразной. При загрузке электродвигателей более 70 % номинальной мощности можно считать, что замена в общем случае нецелесообразна, т. к. экономический эффект от снижения tgφ не окупает затраты на перемонтаж и возможное сокращение срока службы за счет более интенсивного нагрева в рабочем режиме. В случае если средняя загрузка асинхронных двигателей составляет 40–70 % номинальной мощности, то целесообразность их замены должна быть подтверждена технико-экономическим расчетом.

Технико-экономический расчет целесообразности замены малозагруженных асинхронных двигателей электродвигателями меньшей номинальной мощности в общем случае сводится к сопоставлению суммарных потерь активной мощности до и после проведения замены. Такая замена не всегда целесообразна и экономически оправдана, а иногда по условиям работы производственного оборудования, зависящим от характера технологического процесса, даже невозможна.

Условия рентабельности требуют, чтобы замена электродвигателя приводила к уменьшению суммарных потерь активной мощности:

 

, (6)

 

где Δ P _АД – полные потери активной мощности в электродвигателе, кВт; k_Q – коэффициент изменения потерь, кВт/кВАр (в расчетах принимается k_Q = 0,1 кВт/кВАр).

Полные потери активной мощности в асинхронном двигателе определяются по формуле:

 

, (7)

 

где Δ P ₀ – потери активной мощности при холостом ходе электродвигателя, кВт:

; (8)

 

Δ P _н – прирост потерь активной мощности в электродвигателе
при номинальной загрузке кВт:

 

; (9)

 

γ – расчетный коэффициент, зависящий от конструкции асинхронного двигателя:

 

, (10)

 

где Δ P ₀% – потери холостого хода, % от активной мощности, потребляемой электродвигателем при номинальной загрузке (для асинхронных двигателей малой мощности Δ P ₀% принимается равным 5–9 % от номинальной мощности электродвигателя P _н, для асинхронных двигателей большой и средней мощности –
2–5 % от номинальной мощности).

Сравнение суммарных потерь активной мощности до и после проведения замены (Δ P _Σ1 и Δ P _Σ2 соответственно) дает возможность оценить дополнительное снижение потерь в результате замены малозагруженного асинхронного двигателя электродвигателем меньшей номинальной мощности:

 

, (11)

 

а также снижение потерь электроэнергии в сети:

 

, (12)

 

где T – число часов работы электродвигателя в году, ч.

Если при проведении мероприятий по замене малозагруженных асинхронных двигателей снижаются потери активной мощности и электроэнергии в сети, то их осуществление, безусловно, является целесообразным. Однако для выполнения условий рентабельности необходимо, чтобы экономия от снижения потерь в течение срока окупаемости превосходила дополнительные капитальные затраты, связанные с приобретением и монтажом нового и демонтажем старого электродвигателя.

Годовая экономия от снижения потерь электроэнергии определяется по формуле:

 

, (14)

 

где C ₀ – тариф на электроэнергию, руб/кВт·ч (в расчетах условно принимается C ₀ = 2,5 руб/ кВт·ч).

Тогда условие рентабельности:

 

, (15)

 

где K – стоимость электродвигателя, руб; T _ок – срок окупаемости, лет (в расчетах принимается T _ок ≈ 8 лет).

Таким образом, чтобы решить вопрос о целесообразности замены малозагруженных асинхронных двигателей, необходимо в каждом отдельном случае проводить анализ технико-экономической эффективности проведения такой замены, а также учитывать особенности технологического процесса конкретного производства. В этом отношении особое внимание следует обращать на то, чтобы новый, менее мощный электродвигатель не явился через некоторое время препятствием для рационального использования и повышения загрузки производственного оборудования. Вообще же рассматривать вопрос о замене малозагруженных асинхронных двигателей целесообразно только для электродвигателей, не встроенных в производственный механизм. Замена таких электродвигателей обычно настолько сложна и дорога, что практически не является целесообразной.

 

2.4. Понижение напряжения электродвигателей, систематически работающих с малой загрузкой

 

В случае невозможности замены малозагруженных асинхронных двигателей целесообразным может оказаться снижение напряжения на их зажимах. Снижение напряжения, подводимого к обмоткам электродвигателя, до определенного минимально допустимого значения приводит к уменьшению потребляемой им реактивной мощности за счет уменьшения тока намагничивания.

На практике известны следующие способы снижения напряжения у малозагруженных асинхронных двигателей:

– переключение статорных обмоток с треугольника на звезду;

– секционирование статорных обмоток;

– понижение напряжения в сетях, питающих электродвигатели, путем переключения ответвлений цехового трансформатора.

Переключение статорной обмотки с треугольника на звезду может быть использовано только для тех электродвигателей,
у которых выведены все шесть концов обмотки статора, и обмотка статора нормально включена в треугольник. Данный способ целесообразно применять для асинхронных двигателей, систематически загруженных менее 40 % номинальной мощности. При этом следует учитывать, что максимальный вращающий момент асинхронного двигателя пропорционален квадрату напряжения. Поэтому вследствие снижения максимального вращающего момента в 3 раза при переключении статорной обмотки с треугольника на звезду необходимо производить проверку по предельному коэффициенту загрузки, определяемому условиями устойчивости. Преимущество данного способа заключается в том, что он не вызывает никаких затруднений при возвращении к нормальной схеме в случае улучшения использования приводного механизма и увеличения загрузки электродвигателей.

Секционирование статорных обмоток асинхронных двигателей следует применять в том случае, когда невозможно осуществить переключение обмотки статора с треугольника на звезду. Если обмотка статора состоит из нескольких секций, соединенных так, что они образуют несколько параллельных ветвей,
то понижение напряжения, подводимого к каждой из секций, осуществляется относительно просто, причем понижение напряжения должно быть одинаковым для всех переключаемых секций. Секционирование в этом случае производится путем перепайки лобовых соединений обмотки статора. Если же статорная обмотка асинхронного двигателя выполнена одиночным проводом, то переключение секций обмотки возможно лишь при проведении капитального ремонта электродвигателя.

Понижение напряжения на зажимах малозагруженных асинхронных двигателей путем переключения ответвлений цехового трансформатора также приводит к уменьшению реактивной мощности, потребляемой электродвигателями. Однако данный способ может быть применен только в тех случаях, когда рассматриваемый трансформатор не питает одновременно и другие электроприемники, не допускающие снижения напряжения на их зажимах. Допустимая степень понижения напряжения при этом будет определяться загрузкой электродвигателей.

 

2.5. Ограничение холостого хода асинхронных двигателей

 

Работа асинхронных двигателей большинства станков, установленных на предприятиях, характеризуется тем, что в перерывах между нагрузками они вращаются на холостом ходу. При этом в ряде случаев продолжительность работы электродвигателей на холостом ходу может достигать 50 % и более от общего времени работы. Если промежутки работы на холостом ходу достаточно велики, то целесообразно на это время отключать электродвигатель от сети. Очевидно, что потребление реактивной мощности при этом значительно снижается.

Применение ограничителей холостого хода приводит к сокращению непроизводительного расхода электроэнергии и снятию реактивных нагрузок путем отключения электродвигателей на межоперационный период. Из опыта эксплуатации известно, что установка ограничителей холостого хода является экономически целесообразной в тех случаях, когда длительность работы электродвигателя на холостом ходу превышает 10 с. При этом также должна учитываться технологическая периодичность пусков и остановок электродвигателя с тем, чтобы не допустить его перегрева пусковыми токами. Кроме того, следует учитывать допустимое число включений-отключений, гарантируемое заводом-изготовителем для используемого типа коммутационной аппаратуры. Не следует допускать очень быстрых повторных включений электродвигателя. Когда длительность работы электродвигателя на холостом ходу составляет менее 10 с, вопрос о целесообразности установки ограничителей холостого хода решается
на основании технико-экономического расчета.

 

2.6. Повышение качества ремонта электродвигателей

 

При проведении ремонта электродвигателей не допускается снижать их энергетические показатели. Надлежащее качество ремонта является залогом исправной работы электродвигателей при высоких энергетических показателях.

Повышение потребления реактивной мощности часто происходит из-за увеличения воздушных зазоров во время ремонтов электродвигателей. Вместе с тем, магнитным сопротивлением воздушного зазора обусловлена значительная часть реактивной мощности намагничивания, потребляемой электродвигателем.

Поэтому важно следить за равномерностью износа подшипников. Неравномерный износ подшипников вызывает асимметрию магнитного поля асинхронного двигателя и уменьшение его КПД, а также увеличение реактивной мощности, потребляемой электродвигателем. Точно так же возрастает потребление реактивной мощности асинхронным двигателем при появлении значительного сдвига стали ротора вдоль оси.

При проведении ремонта электродвигателей совершенно недопустимо производить проточку ротора, уменьшение числа проводников в пазу, распиливание пазов, выжигание обмотки.

Проточкой ротора иногда ограничиваются вместо проведения тщательного ремонта при сработанных подшипниках. Однако при этом увеличивается воздушный зазор, в связи с чем возрастает и относительное потребление реактивной мощности электродвигателем, т. к. увеличение воздушного зазора даже на несколько десятых миллиметра влечет за собой весьма значительное повышение потребления реактивной мощности.

При перемотке электродвигателя часто в пазы помещают
не прежнее число проводников, а меньшее. Уменьшение числа проводников в пазу приводит к увеличению магнитного потока,
а, следовательно, и тока намагничивания. При этом также увеличивается реактивная мощность, потребляемая асинхронным двигателем. Кроме того, вследствие увеличения активных потерь
в стали снижается КПД электродвигателя.

Для того чтобы при перемотке электродвигателя было удобнее уложить обмоточный провод, пазы иногда распиливают. Это приводит к увеличению воздушного зазора, а, следовательно,
и к дополнительному относительному увеличению реактивной мощности, потребляемой электродвигателем.

Поэтому ремонт асинхронных двигателей должен проводиться специализированными предприятиями по заводской технологии и в соответствии с требованиями действующей нормативно-технической документации. Для контроля качества ремонта электродвигателей следует производить их послеремонтные испытания, уделяя особое внимание тому, чтобы ток холостого хода асинхронного двигателя после проведения ремонта не превышал номинального значения.

 

3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

 

1. Изучить основные теоретические положения.

2. Проверить технико-экономическую целесообразность замены асинхронного двигателя серии АИР основного исполнения номинальной мощностью P _1н и номинальным напряжением U _1н, подключенного к распределительному пункту цеховой трансформаторной подстанции промышленного предприятия, работающего с нагрузкой P ₁, электродвигателем серии АИР меньшей номинальной мощности при условии, что время работы заменяемого электродвигателя в году составляет T. Варианты заданий
к практической работе приведены в табл. 1.

В табл. 2 приведены технико-экономические данные асинхронных двигателей серии АИР основного исполнения.

2.1. Определить технические параметры заменяемого и заменяющего электродвигателей: коэффициенты загрузки k _з1 и k _з2, номинальные коэффициенты мощности cosφ_н1 и cosφ_н2 и реактивной мощности tgφ_н1 и tgφ_н2, номинальные КПД η_н1 и η_н2, потери холостого хода Δ P ₀₁ и Δ P ₀₂ и токи холостого хода I ₀₁ и I ₀₂.

2.2. Рассчитать суммарные потери активной мощности
в электродвигателе до и после проведения замены Δ P _Σ1 и Δ P _Σ2.

2.3. Определить снижение потерь активной мощности в результате замены малозагруженного асинхронного двигателя электродвигателем меньшей номинальной мощности Δ P _Δ, а также снижение потерь электроэнергии в сети Δ W _Δ.

2.4. Проверить целесообразность замены малозагруженного асинхронного двигателя электродвигателем меньшей номинальной мощности по условиям рентабельности.

2.5. По результатам расчетов сделать вывод о технико-экономической целесообразности замены малозагруженного асинхронного двигателя электродвигателем меньшей номинальной мощности.

3. Подготовить отчет о выполнении практической работы
в соответствии с указанными требованиями.

4. Защитить отчет преподавателю в период до 5 контрольной недели. Защита отчета будет учитываться при выставлении очередных оценок текущей успеваемости.

 

 

Таблица 1

 

Варианты заданий к практической работе

 

Номер варианта	Номинальная мощность P 1н, кВт	Номинальное напряжение U 1н, В	Нагрузка электродвигателя P 1, кВт	Время работы T, ч
	5,5		2,5
			42,5
			3,5
	18,5
	0,75		0,5
	7,5		3,5
			17,5
			10,5
			4,5
			25,5
	1,5		0,7
			5,5
			20,5
	5,5
	18,5
	7,5		2,5
	1,1		0,5

 

 

Таблица 2

 

Технико-экономические данные асинхронных двигателей
серии АИР основного исполнения

 

Типоразмер	Номинальная мощность P н, кВт	КПД ηн, %	Коэффициент мощности cosφн	Цена K, руб
АИР50А4	0,06		0,63	1 975
АИР50В4	0,09		0,65	1 975
АИР56А4	0,12		0,66	2 287
АИР56В4	0,18		0,68	2 287
АИР63А4	0,25		0,67	2 510
АИР63В4	0,37		0,7	2 538
АИР71А4	0,55	70,5	0,7	2 838
АИР71В4	0,75		0,76	2 838
АИР80А4	1,1		0,81	3 958
АИР80В4	1,5		0,83	4 080
АИР90L4	2,2		0,83	5 012
АИР100S4	3,0		0,83	6 322
АИР100L4	4,0		0,84	6 676
АИР112М4	5,5	85,5	0,86	9 355
АИР132S4	7,5	87,5	0,86	11 950
АИР132M4		87,5	0,87	13 213
АИР160S4			0,89	19 630
АИР160M4	18,5	90,5	0,89	22 050
АИР180S4		90,5	0,89	26 530
АИР180М4			0,87	32 720
АИР200М4		92,5	0,89	43 490
АИР200L4		92,5	0,89	51 150
АИР225М4			0,89	57 630
АИР250S4			0,88	73 055
АИР250М4			0,89	81 575
АИР280S4		93,5	0,91	106 235
АИР280M4			0,93	126 165
АИР315S4		93,5	0,91	148 907
АИР315M4			0,92	170 643
АИР355S4		94,5	0,92	272 180
АИР355M4		94,5	0,92	276 397

 

 

4. ТРЕБОВАНИЯ К ОТЧЕТУ

 

Отчет о выполнении работы должен содержать:

- наименование и цель работы;

- результаты расчетов и выводы;

- ответы на контрольные вопросы.

 

5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

1. Перечислите основные организационные мероприятия
по компенсации реактивной мощности, потребляемой асинхронными двигателями.

2. Поясните процесс потребления реактивной мощности асинхронными двигателями.

3. Какое влияние оказывает нагрузка асинхронных двигателей на потребление ими реактивной мощности?

4. Какие первоочередные меры необходимо предпринимать при систематической недогрузке асинхронных двигателей?

5. Как должен производиться рациональный выбор электродвигателей по номинальной мощности и типу?

6. Поясните суть технико-экономического расчета целесообразности замены малозагруженных асинхронных двигателей электродвигателями меньшей номинальной мощности.

7. В каких случаях следует производить снижение напряжения на зажимах электродвигателей, систематически работающих с малой загрузкой?

8. Перечислите основные способы снижения напряжения
у малозагруженных асинхронных двигателей.

9. Когда целесообразно производить ограничение длительности холостого хода асинхронных двигателей?

10. Как влияет качество ремонта электродвигателей на потребление реактивной мощности?

 

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. Беляевский, Р. В. Вопросы компенсации реактивной мощности: учеб. пособие [Электронный ресурс] / Р. В. Беляевский. – Кемерово: КузГТУ, 2011. – 132 с.

2. Константинов, Б. А. Компенсация реактивной мощности [Текст] / Б. А. Константинов, Г. З. Зайцев. – М.: Энергия, 1976. – 104 с.

3. Архипцев, Ю. Ф. Асинхронные электродвигатели [Текст] / Ю. Ф. Архипцев, Н. Ф. Котеленец. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 104 с.

4. Справочник по энергоснабжению и электрооборудованию промышленных предприятий и общественных зданий [Текст] / Под общ. ред. С. И. Гамазина, Б. И. Кудрина, С. А. Цырука. – М.: Издательский дом МЭИ, 2010. – 745 с.

5. Справочник по электроснабжению и электрооборудованию [Текст]: в 2 т. / Под ред. А. А. Федорова. Т. 1. Электроснабжение. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 568 с.

6. Кацман, М. М. Справочник по электрическим машинам: учеб. пособие [Текст] / М. М. Кацман. – М.: Академия, 2005. – 480 с.