ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД НА ОСНОВЕ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С ИНДИВИДУАЛЬНОЙ КОМПЕНСАЦИЕЙ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ (10.05.2011)

Автор: Мугалимов Риф Гарифович

МУГАЛИМОВ Риф Гарифович

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД НА ОСНОВЕ

асинхроннОГО двигателЯ с индивидуальной компенсацией реактивной мощности

Специальность 05.09.03 –

Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Магнитогорск – 2011

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»

Научный консультант – доктор технических наук, профессор

Карандаев Александр Сергеевич

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор

Беспалов Виктор Яковлевич

- доктор технических наук, профессор

Микитченко Анатолий Яковлевич

- доктор технических наук, профессор

Радионов Андрей Александрович

Ведущая организация –

ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат»

Защита диссертации состоится «01» июля 2011 года в 15 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.111.04 при Магнитогорском государственном техническом университете им. Г.И. Носова по адресу: 455000, г. Магнитогорск, пр. Ленина, д. 38, ауд. 227.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью) просим направлять по адресу: 455000, г. Магнитогорск, пр. Ленина, д. 38, Ученый совет МГТУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «МГТУ», автореферат размещен на сайте http://www.magtu.ru

Автореферат разослан «31» марта 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.111.04

кандидат технических наук, доцент К.Э. Одинцов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Эффективное использование энергоресурсов и в первую очередь электрической энергии является одним из приоритетных направлений развития современной мировой экономики. В Российской Федерации наблюдаются непрерывный рост потребления невосполнимых углеводородных энергоресурсов и увеличение стоимости электрической энергии, производимой на их основе. Только за период 2000-2010 г.г. стоимость электрической энергии возросла в четыре раза. Это обостряет проблему энергосбережения, поскольку доля стоимости электроэнергии в стоимости товарного продукта возрастает, что ведет к снижению конкурентной способности товарного продукта и темпа экономического развития страны.

На эффективное электропотребление направлены Федеральный закон 261-ФЗ от 23.11.2009 г. «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности…» и Федеральная целевая программа Энергосбережения до 2020 г, предусматривающая при росте объемов производства товарной продукции снижение энергоемкости до 20%.

Во всех отраслях промышленности, в сельском хозяйстве для вращения рабочих машин и механизмов используются электроприводы, созданные на основе применения традиционных асинхронных двигателей (ТАД), номинальным напряжением 220/380 В. Эти электродвигатели являются самыми массовыми потребителями электрической энергии. По экспертным оценкам на предприятиях РФ используются от 120 до 150 млн. единиц ТАД. Повсеместное применение ТАД обусловлено их высокой надежностью, сравнительно низкой стоимостью и приемлемыми эксплуатационными расходами. До 70% ТАД сосредоточено в энергоемких отраслях: горно-, нефте-, газодобывающей, металлургической, строительной и жилищно-коммунальном хозяйстве. Только в системах жизнеобеспечения городов России асинхронные электроприводы насосных агрегатов потребляют в год до 130 млрд. кВт?час электрической энергии. Например, на каждом крупном металлургическом предприятии, таком как ОАО «ММК» (г. Магнитогорск), ОАО «НЛМК» (г. Липецк), ОАО «Северсталь» (г. Череповец), установленная мощность ТАД напряжением 220/380, 380/660 В, мощностью от 1 до 100 кВт составляет от 70 до 120 МВт, в том числе, 30-40 МВт – электроприводы турбомеханизмов.

Асинхронными электроприводами потребляется 55-60% вырабатываемой в РФ электрической энергии. Главными показателями энергоэффективности электроприводов на основе ТАД являются: потребляемый из электросети ток (I1), электрический КПД (?э), коэффициент мощности (cos?), энергетический КПД (?эн), расход электроэнергии на единицу выпускаемой продукции (wу – удельный расход). Главным недостатком ТАД является невысокий cos?, который не превышает 0,8-0,92. Для ТАД величина потребляемого тока на 25-40% определяется индуктивной реактивной и на 60-75% активной составляющими. Реактивная составляющая тока возбуждает вращающееся магнитное поле двигателя. Энергия магнитного поля в механическую энергию не преобразуется. В наилучших режимах работы ТАД, при электрическом КПД 80-92% и сos?=0,8-0,9, энергетический КПД составляет 64-83%. При неоптимальных нагрузках энергетический КПД снижается до 52-70%. Реактивный ток создает в системе электроснабжения и электроприводе падение напряжения, вызывает непроизводительные потери активной мощности. Даже при наилучших режимах работы ТАД теряется 9-16% (0,09-0,16 о.е.) электрической энергии из-за сравнительно низкого cos?, что снижает энергоэффективность электропривода.

Учитывая масштабы применения ТАД, их средний коэффициент загрузки (Кз=0,75), коэффициент использования технологического оборудования (Ки=0,6), коэффициент потерь из-за реактивных токов (КQ=0,09-0,16), только по трем крупнейшим металлургическим комбинатам РФ, установленная мощность двигателей которых около 210-360 МВт, потери электрической энергии в год составляют 75-128 млн. кВт?час.

Одной из причин невысокого энергетического КПД ТАД является их конструктивная особенность – наличие электротехнической стали и катушек индуктивности обмоток электрической машины, а также проектирование и изготовление их по критерию минимума затрат, выгодной только для производителя. При этом производитель полагает, что компенсацию реактивной мощности ТАД потребитель осуществит самостоятельно за счет эксплуатационных затрат. Зарубежные фирмы (AEG, ABB) производят энергосберегающие ТАД, увеличивая массу активных материалов – меди и электротехнической стали. Однако это ведет к существенному удорожанию двигателя. Из их опыта известно, что увеличение КПД на несколько процентов ведет к увеличению меди на 20-25%, алюминия на 10-15%, электротехнической стали на 30-35%. Увеличение электрического КПД ТАД сопровождается некоторым снижением его номинального cos?. В конечном итоге энергетический КПД увеличивается незначительно или сохраняется на первоначальном уровне.

Вопросам повышения энергоэффективности электроприводов промышленных предприятий посвящены работы многих отечественных научных школ, а также известных ученых в области электромашиностроения, электроэнергетики и энергопотребления. Наиболее значимые результаты в решении обозначенной проблемы достигнуты в Московском энергетическом институте (техническом университете) при активном участии Ильинского Н.Ф., Копылова И.П., Беспалова В.Я., Ключева В.И., Микитченко А.Я., Федорова А.А., Веникова В.А. и др. Большой вклад внесли ученые отраслевых промышленных институтов ВНИПИ «Тяжпромэлектропроект», ОАО «Электропривод», ОАО «НИПТИЭМ» научные школы Уральского федерального округа при участии Шубенко В.А., Браславского И.Я., Пластуна А.Т., Шрейнера А.Т., Зюзева А.М., Гафиятуллина Р.Х., Хохлова Ю.И., Усынина Ю.С., Селиванова И.А., Карандаева А.С., Сарварова А.С., Корнилова Г.П. и др.

Наиболее эффективным техническим мероприятием, обеспечивающим повышение энергетического КПД потребителей электрической энергии переменного тока, является компенсация реактивной мощности. На практике это реализуется путем применения различных компенсаторов реактивной мощности (КРМ). Директивные материалы правительства РФ регламентируют нормативное значение коэффициента мощности cos?=0,9. Однако эта величина достигается преимущественно в электросетях среднего и высокого напряжений (35-110 кВ). В низковольтных сетях напряжением 0,4 кВ, от которых питается до 60% ТАД, повышение cos? до приемлемого уровня известными способами экономически не всегда оправдано, поэтому, зачастую, не применяется.

В этой связи актуальным и практически значимым для развития экономики страны является решение задач, направленных на повышение энергоэффективности асинхронных электроприводов промышленных установок напряжением до 1000 В. Решение проблемы ведется по трем главным направлениям: создание энергоэффективных электродвигателей; создание современных микропроцессорных автоматизированных систем управления электроприводами с реализацией функции энергосбережения; компенсация реактивной мощности индуктивного характера.

Направление исследования данной диссертационной работы определено путем комплексного объединения трех названных направлений решения проблемы энергоэффективности на основе концепции индивидуальной компенсации реактивной мощности электропотребителя на уровне его электромагнитной системы.

Работа выполнялась в рамках Федеральной Целевой Программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы по теме: «Создание энергосберегающих систем транспортировки, распределения и потребления электрической энергии на металлургическом предприятии с полным технологическим циклом», № ГК № 02.740.11.0755 от 12.04.2010 и по грантам Минэкономразвития Челябинской области.

Цель работы – повышение энергетической эффективности электроприводов промышленных установок путем создания и применения асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности.


загрузка...