Katedra obecé eletrotechiy Faulta eletrotechiy a iformatiy, VŠB - TU Ostrava EERGETIKA U ŘÍZEÝCH EEKTRICKÝCH POHOŮ Předmět : Rozvody eletricé eergie v dolech a lomech. Úvod: Světový tred z hledisa eletricé eergie je směrová a zvyšováí úsor ři jejím využíváí. Eergie z úsor ejlevější eergie, rotože je zde zřejmá úsora ivestic otřebých výrobí aacitě této eergie. Celé ojetí úsor eergie je uto brát z hledisa celové účiosti vztažeé a zdroj rimárí eergie. Tato účiost je ještě stále i ve vysělých státech velmi malá a je ovlivěa jedotlivými dílčími účiostmi v celovém eergeticém řetězci, mezi teré atří:: - účiost řeměy rimárí eergie a eletricou (,3,4 - účiost řeosu eletricé eergie (,8,9 - účiost řeměy eletricé.eergie a mechaicou a a užitou ráci. Tato účiost je u ohou závislá a zůsobu jeho řízeí a účiostech jeho jedotlivých omoetů (motor, měič, řevody atd.. výroba řeos a rozvod oho Obsah : G P W. Úvod. Eergetia řízeého ohou 3. Účiost a ztráty v motoru 4. Klasifiace účiostí u A 5. Závislost účiosti A a rovozích arametrech P 434 W,4,9, 8, 8 74 (el 56 (el 5 (mech P P tot P mech P W,3 P: 6 W 8 W 3 W 5 W Doc. Ig. Václav Vráa, CSc., Ig. Václav Kolář Ph.D. osledí úrava: úor 6 obr.- Bilace eergeticého řetězce od výrobce uživateli Z dostuých rováděých studií a statisticých údajů je zřejmé, že celový odíl ztrát a celové sotřebovaé eergii čií asi 69 %, odíl růmyslu 5 %, domácostí a služeb %, a řeosu asi 4 %. Úsoru eergie je uto hledat a všech člácích a to zejméa a oci řetězce, de se achází oblast ohoů. Zde je zde možo vlastí úsory eergie hledat hlavě v těchto oblastech: - otimalizace odběru eletricé eergie z hledisa techologicého rocesu - sížeím ztrát ve vlastím systému ohou. Každý oho vlastě ředstavuje systém, terý lze graficy zázorit v roviě rozděleé osami: osa x - veličiy úměré hací eergii (, F, Q aod. osa y - veličiy úměré ieticé eergii (, v, H aod..
V tato rozděleé roviě lze ázorě zobrazit tzv. zátěžé řivy racovího mechaismu (ař. závislosti P ( a hací řivy motoru ot (. Průsečíy těchto řive udávají racoví body ohou v ustáleém stavu, dy edochází e změě ieticé eergie (ost a b Obr. - - Hací a zátěžé řivy oháěého systému a bez řízeí rychlosti b s řízeím rychlosti Otimalizace využití eletricé eergie z hledisa techologicého rocesu je ejvíce zřejmá v oblasti ohoů mechaismů zabezečujících doravu objemového možství media, jao jsou ař. čeradla, vetilátory, ásové doravíy, de je uto doravovaé možství media měit. Ve srováí se zůsobem řízeí založeým a tzv. šrceí (ař. laou lze u řízeých ohoů s romělivou rychlostí dosáhout oroti ředchozí metodě dosti začých úsor eletricé eergie s rátou dobou ávratostí ivestic a ořízeí moderích ačích čleů - měičů. Změu racoví rychlosti u ohou (racovího mechaismu lze obecě dosáhout:. Změou zátěžé řivy (P - racoví bod se řemisťuje o hací řivce (P P. Příladem může být ař. šrceí, oužíváí brzdy (eldroregulace atd. Potřebá eergie řiváděá racovímu mechaismu W je úměrá loše vymezeé očátem souřadic a racovím bodem P xx : W P W P. Změou hací řivy (motoru, - racoví bod se řemisťuje o zátěžé řivce (P P. Příladem je řízeý oho u terého dochází e změě mometové charateristiy hacího motoru. Tuto změu řivy je možo rovést buď jejím osuem (změa rychlosti arázdo, ( -hosodárý zůsob, ebo změou slou řivy olem evého bodu ~, ( méě hosodárý zůsob. Potřebá eergie ro stejou racoví rychlost je zde odstatě meší oroti ředchozímu zůsobu. V říadě regulovaého ohou (řízeý oho se zětou vazbou emá změa zátěžé řivy vliv a rychlost.. Eergetia řízeého ohou: Eletricé ohoy řeměňují eletricou eergii v mechaicou a aoa. ohou tedy racovat buď v motoricém ebo brzdém režimu. Při řeměě jedotlivých druhů a forem eergií ve vlastím motoru a ačím čleu (měiči dochází e ztrátám eergie, teré se jeda velmi eřízivě rojeví v celém eergeticém řetězci a dále hrají výzamou roli ři dimezováí jedotlivých omoetů ohou (ař. motor, měič, rezistory a od.. Jedotlivé toy výoů jsou zřejmé z obr.-, terý zázorňuje řízeý oho z eergeticého hledisa jao systém, ve terém vystuují setrvačé hmoty (J ot, J P a idučosti jao zásobíy eergií (ieticé - W i a eletromageticé W. Eergeticou bilaci ohou s tuhou vazbou lze vyjádřit vztahem: dw dwiot dwip e P + P + ot + q + + + dwiot dwip m P + P + d, d + P otřebý mechaicý výo P (a hřídeli motoru P >...motoricý režim, P <...brzdý režim P ztrátový výo v P (včetě řevodovy ot ( q ztrátový výo motoru (měiče m mech. výo a hřídeli motoru d dyamicý výo ři změách rychlosti d >...zvyšováí rychlosti (rozběh d <...sižováí rychlosti (doběh - zastavováí úravou rovice eergeticé bilace obdržíme ohybovou rovici a momet motoru m(t W el ot g P d m( t mp md dw m( t el ot q aájecí síť q el Ačí čle - měič q otor dw, Pot dwiot Brzdá jedota P, m P P dwip Obr. - Bloové usořádáí systému regulovaého ohou z eergeticého hledisa 3 4
el q ot P P ot q el A A q ot P a v motoricém režimu (I.a IV. vadrat v roviě - obr. - Zobrazeí toů výoů u ohou v ustáleém stavu 3. Účiost a ztráty motoru: P rovádí omocým oeficietem - de C d θ A. θ aájecí síť P el P tot P ( o - m [ W; m,rad/sec ],....ss motory (+R/R...asychroí motory Ztráty v motoru ve stacioárích (ustáleých stavech: P m P ot q b v brzdém režimu (II.a IV. vadrat v roviě - Dle defiičího vztahu je účiost obecě závislá a veliosti ztrát, teré u motoru dělíme a: ostatí ztráty (ezávislé a zatížeí - P - roměé ztráty (variabilí závislé a zatížeí - P v Výsledé (celové ztráty v motoru: P tot P + P v Ztráty v motoru závislé a zatížeí jsou zjedodušeě dáy (ři zaedbáí ztrát ve stator. viutí rozdílem řiváděého el. říou P el P o a odevzdaého mechaicého výou P m P m., což se dá ázorě zobrazit v roviě - (jao locha. Zohleděí ztrát ve statoru se zjedodušeě ásledě V ustáleém stavu jsou tedy tyto závislé ztráty dáy racovím bodem P ři jeho zázorěí v roviě -, jehož souřadice ři zobrazeí v roviě jsou P, P. Pro racoví body ohou A a B dle obr.3- jsou tyto ztráty úměré lochám vymezeým (omocí rovoběže s osami racovími body a bodem ři ulové zátěži tj. tzv. bodem arázdo -. o, což se dá vyjádřit vztahy. Pro bod A: P A P ( - A, Pro bod B: P B P ( - B Ztráty jsou tedy závislé a : a veliosti mometu zátěže P, a rozdílu rychlosti arázdo a racoví rychlosti, terý je závislý a slou (tvrdosti mechaicé charateristiy motoru. Přílady ohou ro růzé druhy zátěže a tvary hacích řive (mechaicých charateristi ohou. P P A P B P obr. 3 - Závislosti f( a f( P ro,,tzv. sluzové odorové řízeí rychlosti, ři P ost. A B B B ost P B obr. 3 - Závislosti f( a f( P ro,,tzv. sluzové odorové řízeí rychlosti, ři P obr. 3-3 Závislosti f( a f( P ro,,řízeí změou rychlosti arázdo motoru Ztráty v motoru v estacioárích (řechodých stavech (rozběhy, brzděí a od.: ztráty eergie obecě jsou dáy vztahem W t t P A, P A P B P A B var. P ost. B t t A P P B, A P ( ( Rozběh zatížeého ohou (ostatím mometem P : Dosazeím z ohybové rovice ( J α P 5 6
W t a P ( + J ( d ožství ztraceé eergie během rozběhu zatížeého ohou je závislé - a době rozběhu t a (J,α a a jeho časovém růběhu, - a veliosti mometu zátěže P, - a veliosti ieticé eergii W i ohybujících se hmot. - a rychlosti arázdo motoru o, terá je závislá a zůsobu řízeí během rozběhu. eřízeý rozběh zatížeého ohou -římým řiojeím motoru aájecí síti řes souštěcí rezistor (o římové-regulačí mechaicé charateristice, o ost.: momet motoru : ( momet zátěže: P ost. záb, ost. čárovaě orajové odmíy: t, t t a 3,, W (,5 B + J (, ta P ta + J P 5 P záb τ t r t obr. 3-4 Závislosti f( a f(t ro rozběh řiojeím motoru aájecí síti řes souštěcí rezistor. B, u rozb. P z P ost. rozb. t r t Obr. 3-5 Závislosti ro řízeý rozběh zatížeého ohou - řiojeím řes řízeý ačí čle. Brzděí rotiroudem: Pro orajové odmíy t, t t b, o - o,, jsou ztráty ři tomto druhu brzděí tb W P tb + J ( +, 5 W P ~ B W J ~ 3.W i Pro P je W P, W,5 J 3 W i Pro říad jedostuňového bržděí ( bez řeíáí odor. stuě : P ost. m - z - ( z / - z - t τ P τ e t ( e Obr. 3-6 Závislosti f( a f(t ři bržděí rotiroudem(jedostuňového bržděí. Řízeý rozběh zatížeého ohou-řiojeím řes řízeý ačí čle. t P rozb ( o r J W P tr ( rozb rozb P ( rozb P J ( Ztráty jsou římo úměré ieticé eergii a loše A. 7 8
Příad řízeého bržděí rotiroudem, dy je momet motoru ahraze středím brzdým mometem S. V Evroě došlo rověž reacím a uvedeé iiciativy. ezi geerálím ředitelstvím Evrosé omisí a Sdružeím evrosých výrobců motorů a výoové eletroiy CEEP ( Comitee of Euroe aufacturs of Electrical aschies ad Power Eletroics došlo dobrovolé dohodě obsahující jedotý zůsob čleěí účiostí motorů do lasifiačích tříd a jejich ozačováí. Všechy a 4- ólové motory stadardího rovedeí, ro aětí 4 V, 5 Hz a druh zatížeí S jsou v rozsahu výoů (, 9 W rozděley do tří lasifiačích tříd, teré jsou ozačey a alfaumericým ódem Eff Eff Eff3 vysoá účiost (Hight efficiecy, zvýšeá účiost (Imroved efficiecy, stadardí účiost (Stadard efficiecy, odovídající dohoduté lasifiačí stuici:. Ozačeí třídy účiosti musí být rovedeo a štítu motoru a rověž v techicé doumetaci solu s uvedeím hodot účiosti ro jmeovité a sížeé (75% zatížeí. Obr. 3-7 Závislosti f( a f(t ři bržděí rotiroudem(řízeého bržděí. Závislost ztrát a době rozběhu: Zmešeí ztrát motoru závislých a zatížeí lze dosáhout: - zmešeím celového mometu setrvačosti ohou J tot - změou rychlosti arázdo motoru o obr. 3-8 Toy eergie ři rozbězích ohou 4. Klasifiace účiostí u A Závěry a rohlášeí z meziárodích oferecí o ŽP obsahují otřeby sížeí šodlivých emisí CO a tím i zmešováí sotřeby eletricé eergie. Podíl zlešováí účiosti u eletricých motorů a celovém sížeí sotřeby eletricé eergie je dosti výzamý a ředstavuje cca 8 %. Celová sotřeba eletricé eergie WJ WJ (3 % WJ Wi Toy eergie u ezatížeého ohou by mohla a měla v důsledu zvýšeí účiosti eletromotorů lesout o cca 3 %. V USA se dle záoa EPCA (Eergy Policy ad Coservatio Act, musí mít, 4 a 6-ti ólové motory v rozsahu výoů (,7 5 W miimálí hodotu jmeovité účiosti (HE-High efficiecy. 9 ost arázdo W ~. Wi var. arázdo W ~ Wi Wi Při zatížeí Wzt ~. Wi + Wzt + Wzt WJ Wzt Při zatížeí Wzt ~ Wi + Wzt Wi Wzt Wi Wzt Toy eergie u ohou zatížeého mometem zt Jmeovitá účiost [%] 95 9 85 8 75 Eff Eff 3 Eff 7 4 6 8 Jmeovitý výo [W] obr. 4- Závislosti mezích účiosti motorů Provozí vlastosti a eoomia rovozu motorů s vyšší účiostí Jmeovitá účiost [%] 95 9 85 8 75 Eff Eff 3 Eff 4 7 4 6 8 Jmeovitý výo [W] Vyšší účiost motoru romě eergeticých úsor dále ředstavuje: větší solehlivost chodu motoru a tím i meší rostoje zůsobeé jeho oruchami; ižší oteleí viutí a tím i větší možost řetěžováí ohou; odolost vůči oruchám v aájecí síti (olísáí aětí, fázová esouměrost; větší toleraci vůči eharmoicému aájecímu aětí. Zlešeí účiosti motorů lze dosáhout sížeím jejich ztrát až o cca 4 %. Toho se dosáhe oužitím valitějších materiálů, změou ostruce ativích a mechaicých částí motoru. Toto je ovšem rovedeo a úor zvýšeí jeho výrobích áladů motorů oroti stadardímu rovedeí a tím i jejich ořizovací cey. Z dostuých rameů vylývá, že toto zvýšeí cey je ejvyšší u motorů meších výoů, de dosahuje cca 5 %. S rostoucím výoem motorů dochází olesu až a cca 5 %. Pořizovací cea motoru ovšem ředstavuje je velmi malou část z celových rovozích áladů zahrujících i ceu za sotřebovaou eletricou eergii a álady a údržbu. Při růměré životosti
motoru cca 5 let bude odíl ořizovacích áladů u motoru s jmeovitým výoem 5 W v rozsahu ročí doby rovozu ( 8 hod v rozmezí (3,4% celových áladů. Určeí ročích áladů a rovoz motoru r t P C Wh [ Kč; hod, W, Kč/Wh ] de t... doba rovozu motoru za ro P... jmeovitý (štítový výo motoru... oměré zatížeí motoru (P/P... účiost motoru ro daé oměré zatížeí - C Wh jedotová cea eletricé eergie Určeí ročích úsor ři oužití motoru s vyšší účiosti - Heigh Ur t P CWh ( Heigh Určeí doby ávratosti t ořizovacích áladů (cey ot a motor s vyšší účiostí ot t [měs. ; Kč] U r 5. Závislosti účiosti A a jeho rovozích arametrech U mitočtově řízeých asychroích motorů lze ztráty jejichž veliost je ezávislá a zatížeí v závislosti a mitočtu aájecího aětí f vyjádřit matematicy.zavedeme-li oměrou rychlost (otáčy ν vztažeou rychlosti jmeovité (otáčám rovou oměré rychlosti vztažeé rychlosti arázdo ( : ν f f f racoví mitočet aájecího aětí a svorách motoru f - jmeovitý mitočet motoru ( 5 Hz m - exerimetálě zjištěý oeficiet zohledňující jaost oužitého mageticého materiálu lze ásledě uravit vztah ro tzv. ostatí ztráty motoru P m ( ν P Fe + P mec de : P Fe - jmeovité ztráty v mageticém obvodě ( železe statoru P mec - jmeovité mechaicé ztráty motoru Závislost variabilích ztrát a veliosti zatížeí vyjádřeé oměrým mometem zatížeí P m lze vyjádřit vztahem : P Cu ( m P m Cu Celové ztráty v motoru jsou dáy součtem ztrát ostatích a variabilích dle vztahu: ( ν, m P ( ν P ( m P + Cu, Účiost řízeého eletricého motoru v závislosti a romělivé oměré rychlosti ν a oměrém zatížeí m lze určit ze vztahu: (, m P ( ν, m P m ( ν, m + P( ν, m P m + P ( ν + P ( m ν P Cu Z uvedeých vztahů ro účiost u řízeého motoru je zřejmé, že maximálí hodoty účiosti, rové řibližě jmeovité účiosti, dosáhe motor ři slěí dvou odmíe - jmeovitém zatížeí a jmeovité rychlosti. V říadech, dy jeda z těchto veliči bude ostatí a meší ež maximálí hodota dojde olesu účiosti motoru. Pro zadaé odmíy (ostatí rychlost ebo zatížeí lze určit maximálí hodotu účiosti a hodotu závislé veličiy ro teto extrém. Graficé růběhy účiosti motoru a jeho rovozích arametrech mot mot m.5 m.8 m.5 m.8 m,, m,.6.6.4.4...4.6.8...4.6.8 ν ν Jestliže lze zatížeí v závislosti a rychlosti defiovat jao charateristicé či tyové vyjádřeé exoetem x dle vztahu P x ( ν + P ( P P a oměrý momet zátěže z rovice (6 lze vyjádřit jao: m ( ν P x ( ν x P + P, de : P - momet zátěže ři ulové rychlosti x- exoet vyjadřující závislost zatížeí a rychlostí (,,.5, V tomto říadě lze účiost řízeého eletricého motoru vyjádřit v závislosti a oměré rychlosti ν a a hodotě exoetu x. (, x ν P m ( ν, x P m ( ν, x + P( ν, x ( Cu de P ν, x P ( ν + P m ( ν, x x.8,.6 x P x.4 x,5...4.6.8 ν