VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

В основу определения энергетических характеристик электродвигателя и относительной энергоемкости выполненной им работы положен метод конечных отношений [1]. Сущность метода заключается в том, что эффективность энергетического процесса оценивают объективным показателем-относительной энергоемкостью. Относительная энергоемкость – это отношение энергии (мощности) на входе к параметрам на выходе, включающее сверх единицы в свое численное значение относительные потери энергии в элементе. Относительная энергоемкость является безразмерной величиной, превышающей единицу на величину относительных потерь. Структура потерь в сфере производства, распределения и потребления электроэнергии показывает, что до 90% потерь приходятся на сферу энергопотребления, а потери при передаче электроэнергии составляют лишь 9…10% [2]. При этом две трети электроэнергии, выработанной на электростанциях, преобразуется различными электроприводами в механическую энергию.

При выборе оборудования в АПК определение мощности электродвигателя производится со значительными превышениями по мощности и производительности (коэффициент запаса достигает 1,30). В справочной литературе и каталогах заводов-изготовителей приводятся значения энергетических характеристик АД (η и соsφ) в зависимости от коэффициента загрузки электродвигателя. В реальных условиях возможно отличие в энергетических параметрах, даже нового электродвигателя от паспортных, что в первую очередь объясняется качеством изготовления [3].

В связи с тем, что в процессе работы снижаются КПД электроприводов, насосов, вентиляторов и других машин и установок, задействованных в энерготехнологическом процессе (ЭТП), необходим периодический контроль относительной энергоемкости работы всего комплекса в целом (электродвигателя, частотного преобразователя и ЭТП). Архивирование параметров даст возможность сравнения при последующих измерениях.

Для проведения экспериментальных исследований по определению относительной энергоемкости электродвигателей разработано устройство, которое представляет собой испытательный стенд, оснащенный информационно-измерительной системой.

Относительная энергоемкость является безразмерной величиной, превышающей единицу на величину относительных потерь. На рис. 1 а и б схематично изображен разработанный стенд и его вид сбоку.

Рис.1. Стенд для контроля энергетических параметров электродвигателя и относительной энергоемкости выполненной им работы: 1-станина; 2-стол; 3-электродвигатель;4-вал электродвигателя;5-ведущий вал; 6-соединительный элемент (например, крестовина); 7-первый ведомый вал; 8-второй ведомый вал; 9-полужесткая муфта; 10-подшипниковые опоры; 11-подшипники; 12-металлические диски; 13-магнитопроводы; 14-электромагнитные катушки; 15-перемычки; 16-противовесы; 17-U-образный кронштейн; 18-весовые гири; 19-напольные весы; 20-ограничители, 21-сигнализатор; 22- шкив; 23-ременная передача; 24-тахогенератор; 25-датчик температуры; 26-регулятор напряжения; 27-измерительное устройство (например, К506); 28-электронный регистратор; 29-управляющий информационно-вычислительный комплекс (УИВК); 30-клемма заземления.

Стенд для контроля энергетических характеристик электродвигателей работает следующим образом. Электродвигатель устанавливается на столе, путем регулирования его высоты достигается соосность вала электродвигателя с ведущим валом и закрепляется жестко. Соединительный элемент позволяет компенсировать незначительную несоосность в горизонтальной плоскости. Датчик температуры, регулятор напряжения, измерительное устройство, электронный регистратор, УИВК, силовая сеть и другое оборудование проверяется на предмет их работоспособности. Вращающиеся части электродвигателя, ведущего вала, ведомых валов и тахогенератор прокручиваются вручную на предмет отсутствия посторонних предметов.

При помощи регулятора напряжения повышается напряжение (ток) на электромагнитных катушках. Ток, протекающий по электромагнитным катушкам, создает в крестообразных магнитопроводах магнитный поток и во вращающемся металлическом диске будет наводиться магнитодвижущая сила, взаимодействие которых вызовет тормозной момент.

Путем увеличения напряжения (тока) на электромагнитных катушках достигается равновесие моментов, создаваемое ими и весовыми гирями. При наступлении равновесия моментов U-образный кронштейн будет стремиться занять горизонтальное положение и коснется сигнализатора. При этом результаты измерений измерительного устройства, датчика температуры, тахогенератора, величина весовых гирь (может фиксироваться в журнале вручную) или показания напольных весов, ток и напряжение на электромагнитных катушках регистрируется на электронном регистраторе.

Стенд позволяет проводить имитацию различных режимов испытаний (механическая нагрузка, имеющая случайный характер, линейно-возрастающая (убывающая), асимметрия параметров сети). По завершении измерений результаты регистрации с электронного регистратора переносятся на УИВК для хранения (архивирования) и математической обработки с целью получения энергетических показателей электродвигателя и относительной энергоемкости его работы. На основании результатов измерений, которые архивированы в УИВК, возможно вычисление и других характеристик электродвигателя (например, механическая и электромеханическая характеристики, определение динамических характеристик, пусковые токи, кривая разгона двигателя и др.) [4].

Математическая обработка результатов измерений производится при помощи стандартных программ (например, Microsoft word, Excel и др.). УИВК имеет возможность связи и передачи (обмена информацией) накопленной информации и программ по стандартным каналам связи (например, RS-232, RS-485 и USB).

Ухудшение технического состояния частотного преобразователя и электродвигателя приводит к повышению относительной энергоемкости работы электродвигателя, что подтверждается экспериментальными исследованиями, проведенными при помощи разработанного устройства.

Знание величины энергоемкости работы частотных преобразователей и электродвигателя позволяет целенаправленно и последовательно управлять эффективностью энергопотребления, снижая с помощью известных приемов и средств (регулирование, управление режимами и др.) энергоемкости их работы или заменяя их на новые, с лучшими энергетическими параметрами.

Данный стенд также позволяет проводить исследования двигателей внутреннего сгорания (до 20 кВт) по определению их механических характеристик.

На основании вышесказанного, с целью энергосбережения становится актуальной задача создания энергетического паспорта электропривода (в том числе и для электродвигателя) и его контроля в период их эксплуатации, по которому можно оценивать техническое состояние и разрабатывать меры по повышению энергоэффективности.

Список литературы

1. Карпов В.Н. Энергосбережение. Метод конечных отношений: монография / В.Н. Карпов, З.Ш. Юлдашев. -СПб. СПбГАУ, 2010. -147с.

2. Тютева П.В. Асинхронный двигатель для энергосберегающих технологий / П.В.Тютева // Томский политехнический университет, 2007. http://innov.elti.tpu.ru. -6 с.

3. Карпов В.Н. Определение относительной энергоемкости работы электродвигателей, используемых в сельскохозяйственном производстве / В.Н. Карпов, З.Ш. Юлдашев // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. СПб, СПбГАУ. -2010. -№18. -С.228-231.

4. Пат. №2449251 РФ. МПК6 G 01 L 3/24. Устройство для определения энергетических параметров электродвигателя и относительной энергоемкости выполненной им работы / Заявитель и патентообладатель: СПбГАУ и Карпов В. Н. Авторы: Карпов В.Н., Юлдашев З.Ш., Юлдашев Р.З.; -№2010110913; заявл. 22.03.2010; опубл. 27.04.2012. Бюл. №12. -13 с.: ил.