Аналіз енергозбереження в ЕМС із некерованими електроприводами
Функціонально-енергетична схема ЕМС з некерованим електроприводом, зображена на рис. 2.15, має такі позначення: ЕЕ, МЕ — відповідно потоки електричної та механічної енергії; МЕО — механічна енергія, що використовується в об'єкті для виконання корисної роботи, згідно з його технологічним призначенням; ЕТП, ЕМП — відповідно електротехнічний та електромеханічний перетворювачі; ПП — передаточний пристрій; О — технологічний об'єкт (робоча машина).
Рисунок 2.15
Енергетичні особливості кожного елемента функціональної схеми визначені коефіцієнтом корисної дії (ККД) η, який характеризує частку втрат енергії у відповідному елементі:
| (1) |
Де Рх.вх — потужність, що надходить на вхід елемента х.
Особливістю ЕМС із некерованими ЕП є майже стала величина моменту навантаження (опору) Мс 
сonst.
Енергетичні рівняння ланок системи, які складають математично-енергетичну модель некерованої ЕМС, такі:
| (2) |
З урахуванням рівнянь (2) потужність на виході об'єкта
| (3) |
Тут ηЕМС — ККД некерованої електромеханічної системи, що визначається як добуток ККД всіх ланок, що входять до складу ЕМС:
| (4) |
Позначивши ККД електропривода через ηЕПзапишемо вираз (4) у вигляді
| (5) |
При Мс соnst для некерованих ЕМС можна вважати, що ККД об'єкта також буде сталою величиною η0 = соnst.
Максимальне значення можна дістати у разі тривалого, некерованого режиму роботи ЕМС за рахунок зростання ККД ЕП до максимально можливого значення (ηЕП -> mах). Для цього слід:
• використовувати складові ЕП із високими значеннями ККД (наприклад, застосування спеціальних типів електродвигунів із підвищеним значенням ККД). При цьому слід враховувати, що досягнення підвищеного значення номінального ККД електродвигуна приблизно на 5% потребує збільшення витрат міді та сталі до 25...30 %, що відповідно впливає на вартість двигуна;
• зменшення кількості елементів у складі ЕП (наприклад, застосування безредукторних ЕП; живлення електромеханічного перетворювача безпосередньо від електричної мережі тощо).
ЕМ с некерованими ЕП більш поширені в технічно розвинутих країнах. Завдяки своїй надійності та невеликій вартості вони широко використовуються на потужних вентиляторних, насосних і транспортних установках.
Водночас при застосуванні некерованих ЕП у ході технологічного процесу можливі тривалі відхилення Мс від номінального значення, що можуть досягати десятків процентів. У цьому разі при перевантаженнях ЕП можливе спрацьовування електричного захисту, а при недовантаженнях об'єкт разом з ЕП виходить із зони номінального ККД, що спричинює додаткові витрати електричної енергії.
За значної потужності технологічних об'єктів і відповідних систем ЕП (на насосних установках великих міст можуть досягати кількох тисяч кіловат) непродуктивні втрати електричної енергії можуть бути досить суттєвими. Це, у свою чергу, може бути обґрунтуванням для застосування хоч і складніших, але економічно вигідніших ЕМС із керованими ЕП.
Нині цей напрям розвитку ЕП є пріоритетним, а широка сфера застосування некерованого ЕП постійно звужується.
Головними напрямами реконструкції ЕМС із некерованими ЕП за тривалих відхилень Мс від номінального значення можна вважати:
• ступеневу зміну швидкості (для цього використовуються спеціальні асинхронні двигуни з короткозамкненим ротором і полюсоперемикальними обмотками статора, що приводить до ступеневої зміни кількості пар полюсів Рі відповідної зміни синхронної швидкості п= 60f/Р);
• застосування додаткового енергозбережного пристрою (ЕЗП) у колі статора двигуна, завдяки якому електродвигун працює (при зміні Мс) у зоні максимуму ККД на новій характеристиці.
Рішення про застосування ЕЗП має бути детально обґрунтовано з урахуванням вартості пристрою, його ККД і впливу на загальні ККД ЕМС порівняно з вартістю збереженої електроенергії (самоокупність ЕЗП не повинна перевищувати 2-3 роки).
Функціональну схему розімкненої ЕМСА з ЕЗП, що містить елементи розімкненої ЕМС, наведено на рис. 2.16. Вимірювальний елемент ВП контролює зміну моменту збурення Мс і залежно від його величини відповідно діє на енергозбережний пристрій ЕЗП (або на ЕЗП', якщо функції енергозбережного елемента ЕЕ і електротехнічного перетворювача ЕТП об'єднуються в одному елементі ЕЗП).
Рисунок 2.16
Величини номінальних ККД окремих пристроїв, що входять до складу ЕМС, залежать від типу, потужності та деяких особливостей сучасних елементів системи і вказані у відповідних технічних паспортах.
Наведемо деякі приблизні значення ККД головних складових ЕМС.
Електротехнічні перетворювачі. В цих перетворювачах широко використовують сучасні тиристори при різних варіантах схемних рішень. Їх ККД є досить високим і перебуває в межах 0,95...0,96.
Електромеханічні перетворювачі. Найбільші номінальні значення η за приблизно рівної величини інших параметрів (наприклад, швидкості та потужності) мають асинхронні електродвигуни з короткозамкненим ротором.
Величина ККД є такою:
• для двигунів загальної серії 4А при потужності 0,55...30 кВт та номінальної швидкості п= 1000 об/хв η = 0,7...0,9;
• для кранових асинхронних двигунів із короткозамкненим ротором серії MTKF при потужності 2...40 кВт та п= 1000 об/хв η = 0,6-0,82;
• для двигунів потужних піднімальних машин серії АКН при потужності 800...2 000 кВт та n = 750 об/хв η= 0,935...0,948.
Передаточні пристрої. Призначені вони для узгодження швидкості валів електродвигунів та об'єктів. До передаточних пристроїв належать такі редуктори:
• циліндричні та зубчасті за наявності мастил, для яких η = 0,95...0,96;
• черв'ячні за однозахідного черв'яка, для яких η = 0,7...0,75; за багатозахідних черв'яків η= 0,82...0,92;
• передаточні муфти, для яких η= 0,99.
Технологічні об'єкти. Для деяких із них номінальні значення ККД приблизно такі:
• відцентрові насоси: при тиску до 40 кПа ηн= 0,3...0,6, при тиску понад 40 кПа ηн = 0,6...0,8;
• відцентрові вентилятори: ηн = 0,4...0,6;
• осьові вентилятори: ηн = 0,5...0,85;
• піднімальні машини: ηн = 0,65...0,7.