Исследование сравнительного анализа методов определения потерь и КПД низковольтных асинхронных двигателей

      9 9 Исследование сравнительного анализа методов определения потерь и КПД низковольтных асинхронных двигателей. 

      Вопрос  энергоснабжения  при выборе асинхронного двигателя сохраняет  свою актуальность в настоящее время. Вместе с тем вопросы энергоснабжения в низковольтных асинхронных двигателях связываются не столько со снижением эксплуатационных затрат, сколько с экологией и её ухудшением в результате производства электроэнергии.

            При проведении измерений  электрических величин  должны применяться  измерительные приборы и первичные преобразователи класса 0,2, в том числе для измерения момента. Для измерения частоты (напряжения, вращения) должны применяться приборы класса 0,1. На сегодняшний день требования российских стандартов к точности измерительного оборудования ниже, но они так же, как и европейские стандарты по определению потерь и КПД, предполагают определение значения добавочных потерь при нагрузке дополнительным методом с назначенными добавочными потерями и методом с добавочными потерями, определёнными при несимметричном питании. Именно эти два метода рассмотрим подробнее. Назначенное значение добавочных потерь до публикации МЭК 2007 г. Согласно европейским и российским стандартам составило 0.5% подводимой к двигателю мощности. Последняя публикация МЭК это значение определяет в зависимости от мощности двигателя по выражению: Р2≤ 1 кВт ; РLL= P1 0,025 ;

      1кВт

Р2 10000 кВт;

      РLL=P1;  (1)

      P2

10000 кВт , PLL= Р1 0,005,

      Где Р2- мощность электродвигателя ; P1 –подводимая мощность к двигателю ; PLL – добавочные потери под нагрузкой.

            Графическая зависимомть выражения (1) представлена на рис.1.

            Как видно из рис.1 максимальное значение назначенных  добавочных потерь составляет 2,5 % - для двигателей малой мощности (менее 1 кВт), а минимальная 0,5 % - для двигателей большой мощности (более 10 МВт). Данный метод не требует дополнительного испытательного оборудования и технологических операций над испытуемым образцом. Вместе с тем, согласно (3) значение добавочных потерь может сильно варьироваться даже для двигателей одного типа изготовленных на одном предприятии в зависимости от множества технологических факторов (допуски при металлообработке, способы заливки и т.д ), поэтому фактическое значение добавочных потерь может существенно отличаться от потерь, определенных по кривой рис.1.

            Метод определения добавочных потерь путем вычисления из подводимой мощности отдаваемой, а так же потерь в обмотке статора и ротора, потерь в стали механических применяется для двигателей малой мощности (низким КПД). При этом путем регрессивного анализа находят функциональную зависимость добавочных потерь от квадрата момента. В процессе обработки определяется коэффициент корреляции. Если он меньше 0,95, то исключают ошибочные точки и проводят обработку экспериментальных данных заново, если количество экспериментальных точек путем исключения оказывается меньше 5, то результаты испытаний считаются недостоверными.

            Другой  метод определения  добавочных потерь, опубликованный в  последней редакции МЭК и отсутствующий  в ГОСТ 7217, предполагает проведение испытаний  при несимметричном питании асинхронного двигателя.

     Испытания следует проводить  на холодной машине для того, чтобы  избежать перегрева обмотки машины вследствие несимметрии токов фаз. Двигатели большой мощности рекомендуется дополнительного резистора, а после разворачивания двигателя подключать резистор R. (рис.2)

     При выполнении эксперимента измеряются линейные напряжения и тока, мощность и скольжение согласно рис.2. Следует  отметить, что при  испытании не допускаются  измерение мощности методом трёх ваттметров с искусственно созданной нулевой точкой. Обработка результатов испытаний сводится к определению токов и напряжений прямой и обратной последовательности. Получают функциональную зависимость добавочных потерь от тока обратной последовательности и определяют добавочные потери в номинальном режиме:

     Рдоб= Р'доб;

     Где - квадрат тока в номинальном режиме;

     - квадрат тока обратной  последовательности;

     Р’доб- добавочные потери при токе обратной последовательности;

     Рдоб- добавочные потери в  номинальном режиме.

            Приведем  сравнительный анализ результатов экспериментального определения добавочных потерь для двигателей новой энергоэффективной серии А160, при проектировании которой учитывались современные требования стандартов.

            Кроме определения добавочных потерь согласно новым  требованиям МЭК  претерпели изменения и определения других видов потерь. Потери в обмотке статора и ротора должны быть приведены к рабочей температуре, полученной из результатов испытаний на нагревание. Потери в стали определяются для напряжения:

      ; (3)

            Где ;   .  (4)

            Согласно  выражениям (3), (4) добавочные потери под нагрузкой  будут несколько меньше, чем при номинальном напряжении из опыта холостого хода.

            Таким образом значение КПД декларируемое  изготовителем современных  асинхронных двигателей, будет несколько ниже, чем у устаревших образцов. Это не означает, что они хуже с точки зрения энергоэффективности. В этом случае их надо разделять на категории энергоэффективности по суммарным потерям. В табл. 1 приведены данные о потерях энергосберегающих электродвигателей АИР и 5А, где Рст – потери в стали; Рм1 – потери в обмотке статора; Рм2- потери в клетке ротора; Рмех – механические потери; – суммарные потери.

      Таблица 1   

        

      Результаты  испытаний(табл. 3)показывают ,что  суммарные потери современных электродвигателей  ниже ,чем у их устаревших аналогов при меньшем декларируемом  значении КПД.

      Отдельного  рассмотрения требуют  методы определения  потерь и КПД электродвигателей, работающих от преобразователей частоты. В(3) приводится пример применения метода отдельных потерь для определения КПД  электродвигателей, работающих с преобразователями частоты. Применение норм(6) для определения КПД асинхронного двигателя ,работающего от преобразователя частоты имеет особенности в части приведения потерь в обмотке статора и ротора к рабочей температуре и приведения потерь в стали к напряжению при проведении опыта под нагрузкой с вычислением дополнительных потерь в стали, вызванных ШИМ преобразователя частоты Международный электротехнический  комитет рассматривает проект стандарта по определению КПД электродвигателей, работающих от преобразователей частоты (IEC 60034-2-3).

      Применение  новых методов  испытания и оценки энергоэффективности  позволит создать предпосылки для повышения технического уровня современных низковольтных асинхронных двигателей. 

    9.1 Способы сокращения  непроизводительного  расхода энергии  

    Эти способы являются общими для всех приводных  электрических машин  производственных механизмов. Рассмотрим эти способы. 

    9.1.1 Увеличение загрузки электрооборудования машин и механизмов до номинальной мощности и повышение равномерности его работы

    Экономии  электроэнергии можно  достичь отключением  двигателя, работающего  вхолостую, повышением загрузки двигателя и увеличением КПД рабочей машины.

    Собственно  экономию энергии, получаемую в результате повышения  нагрузки рабочих  машин, определяют с  использованием кривых, изображенных на рисунке 9.1. 

    9.1.2 Ликвидация или  снижение до минимума  холостого хода  асинхронных двигателей

    Ликвидация  или снижение до минимума холостого хода асинхронных  двигателей за счет совершенствования  технологии производства, использования ограничителей  холостого хода и  приближения кнопочных  станций магнитных  пускателей к рабочим  местам. В качестве ограничителей холостого хода могут служить конечные включатели рычажного или шпиндельного типов, бесконтактные электронные приборы, например, БК-А, КВД-3, БК и др. 

    Применение  в рабочих машинах  устройств, имеющих  время холостого  хода 10 с и более, всегда приводит к  повышению cos φ и экономии электроэнергии. Когда время холостого хода менее 10 с, вопрос об эффективности работы ограничителей необходимо решать путем контрольного расчета. Используя диаграмму, приведенную на рисунке 9.2, можно определить размер экономии электроэнергии и установить экономическую целесообразность применения ограничителей холостого хода.

      

    Рисунок 9.1 – Зависимость изменения удельных расходов

электроэнергии  от коэффициента нагрузки рабочей машины 

    По  параметрам а и  b на диаграмме определяется показатель эффективности ε, затем — часовая экономия электроэнергии:

           (9.1)

    где Z— число циклов работы механизма в час. 

    9.1.3 Замена незагруженных  электродвигателей  электродвигателями 

    меньшей мощности

    Замена  незагруженных электродвигателей  электродвигателями меньшей мощности всегда целесообразна, если средняя нагрузка электродвигателя составляет менее 45 %. При его  нагрузке более 70 % от номинальной мощности следует считать  замену двигателя  нецелесообразной, а при нагрузке от 45 до 70 % возможность замены должна быть подтверждена уменьшением суммарных потерь активной мощности в электрической сети и двигателе.

      

     Рисунок 9.2 – Диаграмма для определения эффективности

      ограничителей холостого хода 

    Таким образом, при замене незагруженного двигателя  получено снижение потерь активной мощности в двигателе и электрической сети.

    Следует подчеркнуть, что  замена незагруженных  электродвигателей, даже если она оправдана  расчетом, может производиться  только после тщательной проверки возможности  их полной загрузки за счет правильного  использования рабочих  машин. Это мероприятие  целесообразно, когда двигатель выбран неверно (завышен по мощности по сравнению с рабочей машиной).