Оптимизация режимов работы ЭО

Эффективность использования электрооборудования оценивается по суммарным затратам на единицу наработки и зависит от многих факторов. Большое влияние оказывает мощ­ность нагрузки электрооборудования. Актуальность правильно­го выбора нагрузки возрастает в связи с большим применением автоматизированных электроприводов в сельскохозяйственном производстве.

Для электроприводов зависимость критерия эффективности от нагрузки имеет сложный нелинейный характер. При малой нагрузке, т. е. при использовании, например, двига­теля завышенной мощности, электропривод имеет низкие значе­ния КПД и cos φ. Увеличение нагрузки приводит к улучшению энергетических показателей, но при этом возникают отрица­тельные последствия — перегрев и снижение надежности двига­теля. Лишь при оптимальной мощности нагрузки суммарные затраты достигают наименьшего значения, а эффективность эксплуатации электропривода будет наивысшей. В соответствии с повсеместным применением двигателей даже незначительные погрешности выбора их нагрузки приводят к большому народ­нохозяйственному ущербу.

Задача обоснования оптимальной нагрузки электрооборудо­вания состоит в том, чтобы выявить и сравнить положительные и негативные последствия, т. е. конкурирующие эффекты, возни­кающие при увеличении нагрузки, и выбрать такую мощность нагрузки, при которой достигается наилучшее значение крите­рия эффективности эксплуатации. В частном случае таким кри­терием служат суммарные потери двигателя.

Оптимизация нагрузки двигатели по суммарным потерям. В теории электрических машин установлено, что суммарные потери двигателя имеют наименьшее значение при коэффициен­те нагрузки β = Р_ф / Р_н, равном корню квадратному из отношения потерь двигателя:

β ₁ = , (3.60)

где р_х, р_к — потери холостого хода (постоянные) и короткого замыкания (пе­ременные), о. е.

Полученный по (3.60) результат — итог решения частной за­дачи, в которой не приняты во внимание потери в системе элект­роснабжения. С целью более точного учета реальных факторов объектом изучения при оптимизации нагрузки должен быть не только двигатель, но и система И—Э—Т—С. Комплексный учет характеристик двигателя и системы сельского электроснабжения выполняют по выражению оптимальной нагрузки:

β ₂ = , (3.61)

где с — коэффициент увеличения потерь за счет системы электроснабжения (с = 1,1... 1,2); К_р — эквивалент реактивной мощности, показывающий значение активных потерь в сетях от каждого кВАр реактивной мощности двигателя ( K_р = 0,12...0,18 кВт / кВАр); q_х, q_к — реактивные мощности холостого хода (намагничивания) и короткого замыкания (рассеивания), о е.

Реактивная мощность намагничивания двигателя больше его мощности рассеивания, и поэтому всегда β ₂ > β ₁. Оптимальная нагрузка по критерию минимума потерь в системе И—Э—Т—Свсегда больше нагрузки, оптимизирующей лишь КПД двигателя. Расчеты выявляют заметное отличие результатов оптимизации по разным критериям (β ₁ = =0,7...0,8; β ₁ = 0,80...0,95) и под­тверждают, что полный учет реальных факторов эксплуатации позволяет уточнить итоги оптимизации.

Вместе с тем следует отметить высокую устойчивость энергетических свойств асинхронных двигателей при изменении их нагрузки. Отступления от оптимума в пределах ±30% приводят к увеличению потерь не более чем на 7% от минимального уровня. Лишь при уменьшении нагрузки ниже 40% наблюдается интенсивное снижение КПД. Для кардинального уменьшения потерь энергии, обусловленных электроприводами, важно не только правильно выбирать загрузку при эксплуатации двигателей, но и увеличивать номинальный КПД на стадии их разработки и внедрять компенсацию реактивной мощности. Способы снижения потерь эффективны для сельскохозяйственных элект­роприводов в связи с низким КПД сельской системы электроснабжения из-за большой ее протяженности и четырех-шестикратной трансформации электроэнергии.

Оптимизация нагрузки двигателя по надежности. Влияние нагрузки на надежность двигателя проявляется в том, что с ее ростом увеличивается температура нагрева изоляции и сокращается срок службы двигателя (увеличение температуры на каждые 8...10 °С сокращает срок службы изоляции вдвое). Снижение же нагрузки приводит к увеличению стоимости элек­тропривода. Поэтому оптимальную по надежности нагрузку вы­бирают по экономическим показателям системы И—Э—Т—С.

Критерием эффективности служат затраты З на единицу наработки двигателя. Они включают три составляю­щие: отчисления от балансовой стоимости электропривода, за­траты на его обслуживание, на капитальный ремонт и техноло­гический ущерб:

З = Е а_к β₃^-1 + а_т β₃^-1 + а_р (1 + у_*) β₃^-1, (3.63)

где а_к, а_т, а_р — удельные показатели отчислений и затрат на обслуживание, а также на капитальный ремонт [руб/(кВт-ч)]; n — 1—показатель, характе­ризующий влияние нагрузки на интенсивность отказов двигателя.

Чтобы определить оптимальную нагрузку, вычислим первую производную критерия (3.63) по β₃ и решим следующее урав­нение:

d₃ / d β₃ = - (Е а_к + а_т) β₃^-2 + а_р(1 + у_*)(n – 1) β₃^n-2 = 0;

В результате находим уравнение оптимальной нагрузки дви­гателя по критерию надежности

β₃ = . (3.64)

Из полученной зависимости видно, чем дороже приобретение и обслуживание двигателя, тем выше его оптимальная нагруз­ка, но с ростом затрат на капитальный ремонт и размера тех­нологического ущерба она снижается. Например, у двигателя привода вакуумного насоса доильной установки, имеющей у_* == 5, оптимальная нагрузка в 1,4 раза меньше, чем у двигате­ля привода транспортера для уборки животноводческих поме­щений, для которого у_* =0,3.

Коэффициент нагрузки двигателя, оптимальный по потерям энергии, может не совпадать с коэффициентом нагрузки, опти­мальным по надежности. Для двигателей, используемых на не­ответственных по технологическому ущербу объектах (у_* <0,5), отдают предпочтение критерию потерь энергии. Когда отказ двигателя вызывает большой технологический ущерб — прини­мают критерий надежности. В тех случаях, когда нельзя отне­сти двигатель к первой или второй группе, тогда выбирают ко­эффициент нагрузки между значениями β₂ и β₃.