Компенсация реактивной мощности

При работе электродвигателей и трансформаторов генерируется реактивная нагрузка, в сетях и трансформаторах циркулируют токи реактивной мощности, которые приводят к дополнительным активным потерям.

Для компенсации реактивной мощности, оцениваемой по величине cos, применяются батареи косинусных трансформаторов и синхронные электродвигатели, работающие в режиме перевозбуждения.

Для большей эффективности компенсаторы располагают как можно ближе к источникам реактивной мощности, чтобы эти токи не циркулировали в распределительных сетях и не вносили дополнительные потери энергии.

Необходимо оценить эффективность работы компенсационных устройств, проанализировать влияние изменение cos на потери в сетях в течение суток, подобрать режимы эксплуатации косинусных батарей и при наличии синхронных двигателей, работающих в режиме компенсации реактивной мощности, использовать автоматическое управление током возбуждения.

Реактивная мощность при синусоидальном напряжении однофазной сети равна: Q = Ux I x sin = Р x tg, в трехфазной сети – как алгебраическая сумма фазных реактивных мощностей.

Уровень компенсируемой мощности Qk определяется как разность реактивных мощностей нагрузки предприятия – Qп и представляемой предприятию энергосистемой –Qэ.

Основными источниками реактивной мощности на объектах ЖКХ являются асинхронные двигатели (45 – 65%) и трансформаторы всех ступеней трансформации (20 – 25%).

Для повышения cos рекомендуется:

  • Увеличение загрузки асинхронных двигателей.
  • При снижении до 40% мощности, потребляемой асинхронным двигателем, переключать обмотки с треугольника на звезду. Мощность двигателя при этом снижается в 3 раза.
  • Применение ограничителей времени работы асинхронных двигателей и сварочных трансформаторов в режиме, холостого хода (XX).
  • Замена асинхронных двигателей синхронными.
  • Применение технических средств регулирования режимов работы электродвигателей.
  • Обеспечивать нагрузку трансформаторов более 30% номинальной мощности.

Техническими средствами компенсации реактивной мощности являются:

1) Синхронные электродвигатели в режиме перевозбуждении

2) Комплектные конденсаторные батареи.

3) Статические компенсаторы (управляемые тиристорами реакторы или конденсаторы).

Общие требования – компенсаторы должны быть приближены к генераторам реактивной мощности.

Электродвигатели являются наиболее распространенными электропотребителями объектов ЖКХ. На них приходится около 80% потребления электроэнергии. Большую долю установленной мощности составляют асинхронные электродвигатели.

При проведении энергоаудита  в организациях необходимо проверять соответствие мощности привода (электродвигателя) потребляемой мощности нагрузки, т.к. завышение мощности электродвигателя приводит к снижению КПД и cos.С уменьшением степени загрузки двигателя возрастает доля потребляемой реактивной мощности на создание магнитного поля системы по сравнению с активной мощностью и снижается величина cos.

Капитальные затраты на замену одного двигателя другим двигателем с соответствующей номинальной мощностью целесообразны при его загрузке менее 45%, при загрузке 45 – 75% для замены требуется проводить экономическую оценку мероприятия, при загрузке более 70% замена нецелесообразна.

При снижении нагрузки двигателя до 50% и менее, его эффективность начинает быстро падать по причине того, что потери в железе начинают преобладать.

Снижение напряжения питания электродвигателя  с помощью регулятора напряжения позволяет уменьшить магнитное поле в стали, которое избыточно для рассматриваемого режима нагрузки, снизить потери в стали и уменьшить их долю в общей потребляемой мощности, т.е. повысить КПД двигателя. Сам регулятор напряжения (обычно в тиристорном исполнении) потребляет мало энергии. Его собственное потребление становится заметным, когда двигатель работает на полной нагрузке.

Часто в режиме холостого хода потребляется почти столько же энергии, сколько необходимо для работы при низкой загрузке. Переключение обмоток двигателя мощностью 7,5 кВт, работающего в номинальном режиме (линейное напряжение равно 380 В) по схеме «треугольник», на схему «звезда» при работе на пониженной нагрузке 1 кВт (режим холостого хода) позволяет уменьшить потери с 0,5 кВт до 0,25 кВт.

Автоматическое переключение обмоток со схемы «треугольник» на схему соединения «звезда» в зависимости от нагрузки является простейшей схемой регулирования двигателя, длительное время работающего на малой нагрузке.

Необходимо избегать работы двигателя в режиме холостого хода.

В установках с регулируемым числом оборотов (насосы, вентиляторы и др.) широко применяются регулируемые электроприводы. Оценочные значения экономии электроэнергии при применении регулируемого электропривода:  в вентиляционных системах, работающих в переменных режимах – 50%, в компрессорных системах – 40 – 50%, в воздуходувках и вентиляторах – 30%, в насосных системах – 25%.

Тиристорные регуляторы напряжения дешевле, диапазон регулирования скорости вращения меньше (снижение на 10 – 15% ниже номинальных); частотные регуляторы (наиболее часто в транзисторном исполнении) дороже, диапазон регулирования шире. Стоимость частотного регулятора оборотов электродвигателя примерно равна стоимости электродвигателя.

Для электроприводов, работающих большую часть рабочего времени на нагрузку, достигающую 30% и менее от номинальной мощности и в которой регулирование можно осуществлять изменением оборотов электропривода (насосы, вентиляторы, мешалки и др.), эффективно применение частотных регуляторов оборотов электродвигателя. Удельная стоимость снижается при увеличении единичной мощности привода.

Для энергосбережения на объектах, использующих электродвигатели,  рекомендуется:

  • Устанавливать двигатели с мощностью двигателя, соответствующей нагрузке.
  • Обеспечивать лёгкое выключение двигателя при часто повторяющейся работе в режиме холостого хода.
  • Эффективно защищать крыльчатку системы обдува двигателя для устранения его возможного перегрева и увеличения доли потерь.
  • Проверять качество эксплуатации трансмиссии.
  • Правильно применять тип трансмиссии и тип смазки подшипникови узлов трения.
  • Рассматривать возможность применения электронных регуляторов скорости вращения в двигателях, которые часть времени работают на неполной нагрузке.
  • Оценивать возможность применения энергоэффективных (ЭЭ) двигателей, т.к. суммарная экономия электроэнергии может превысить в 15 раз стоимость электродвигателя.
  • Ремонт двигателя проводить качественно, отказываться от применения неисправных или плохо отремонтированных двигателей.

Частотный привод – эффективное средство оптимизации энергопотребления

Основным недостатком асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором является постоянная частота вращения ротора электродвигателя, практически не зависящая от нагрузки.  Однако подавляющее большинство технологических систем, элементами которых являются приводимые электродвигателем механизмы, работают в режимах с переменной нагрузкой. Для регулирования их производительности существуют различные способы, но наиболее распространенным (и наиболее расточительным) в настоящее время методом регулирования производительности насосов и вентиляторов является уничтожение избыточной мощности дросселированием расхода посредством клапанов и заслонок. Метод этот остался от тех времен, когда других решений просто не было, он до сих пор закладывается в некоторые проекты.

С развитием силовой полупроводниковой и микропроцессорной техники стало возможным создание устройства частотного регулирования электроприводом, которое позволяет управлять скоростью и моментом электродвигателя по заданным параметрам в точном соответствии с характером нагрузки. Это, в свою очередь, позволяет осуществлять точное регулирование практически любого процесса в наиболее экономичном режиме, без тяжелых переходных процессов в технологических системах и электрических сетях.

Чем мощнее электродвигатель, тем дороже для него аппаратура. Но например, при изменяющейся нагрузке регулирование разрежения с помощью преобразователя частоты (частотный привод) позволяет уменьшить энергопотребление двигателя дымососа на величину от 43 до 75 %, улучшить качество регулирования.

Если двигатель работает на 25-30 % от номинальной мощности (что часто бывает), то частотное регулирование происходит в крайне неблагоприятном режиме, в котором трудно добиться необходимого технологического эффекта, например, необходимого разрежения или подачи воздуха в воздуховоде.

Установка частотного привода включает в себя датчик, определяющий регулируемый параметр, коммутационную аппаратуру, управляющую аппаратуру, позволяющую переключать и задавать режимы. Регулирующая аппаратура дает заказчику возможность задавать различные режимы работы установки, например экономичный режим, режим максимальной производительности и т. п.

Наилучший экономический и технологический эффект достигается там, где происходит не решение отдельных вопросов, а осуществляется комплекс мероприятий. Когда все проблемы рассматриваются в комплексе, рождаются нестандартные решения, которые не могли быть найдены, если бы рассматривался один вопрос, например, только улучшение теплоснабжения.

Насосы и вентиляторы являются основным электропотребляющим оборудованием, например,  объектов ЖКХ. От их правильного подбора, технически грамотной эксплуатации и применения экономичных способов регулирования зависит экономичность работы всей системы. Наибольшие потери возникают при неноминальных режимах эксплуатации этого оборудования. Частотный регулируемый привод  быстро окупает себя, если правильно подобранные и частично загруженные на номинальную производительность насосы большую часть времени работают при пониженных подачах, в которых регулирование осуществлялось с помощью регулирующих задвижек.

Внедрение частотного  регулируемого  привода  позволяет:

  1. Нормализовать давление в системе водоснабжения, превышавшее на 15 – 35% оптимальное, требуемое по условиям водоснабжения;
  2. Повысить надежность работы оборудования и сократить затраты на ремонт и обслуживание за счет исключения динамических воздействий и гидравлических ударов;
  3. Снизить электропотребление насосными установками водоснабжения.
  4. Снизить водопотребление водопользователями.
  5. Достичь суммарной ежегодной экономии прямых затрат.

ОБУЧЕНИЕ ОТВЕТСТВЕННОГО ЗА ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ И ПОВЫШЕНИЕ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ