Оптимизация напряжения

Оптимизация напряжения — это термин, обозначающий систематическое контролируемое снижение напряжения, получаемого потребителем энергии, с целью снижения энергопотребления, спроса на мощность и спроса на реактивную мощность. В то время как некоторые устройства «оптимизации» напряжения имеют фиксированную регулировку напряжения, другие автоматически регулируют напряжение электронным способом.

Системы оптимизации напряжения обычно устанавливаются последовательно с электросетью здания, что позволяет всему электрооборудованию получать выгоду от оптимизированного питания.

Фон

Оптимизация напряжения — это метод экономии электроэнергии, который в основном устанавливается последовательно с электросетью для обеспечения пониженного напряжения питания оборудования на объекте. Обычно оптимизация напряжения может улучшить качество электроэнергии за счет балансировки фазных напряжений и фильтрации гармоник и переходных процессов в источнике питания, хотя и не всегда. Оптимизаторы напряжения — это, по сути, трансформаторы, используемые для подачи электроэнергии при пониженном напряжении от сети.

Термин «оптимизация напряжения» часто используется неправильно, поскольку этот термин подразумевает некоторую форму селективного снижения напряжения, которая улучшит энергопотребление внутри здания, тогда как обычно эти устройства состоят из трансформатора внутри коробки, не обеспечивающего селективности и снижающего напряжение на всех источниках питания. независимо от того, принесет ли это коммерческую выгоду или нет. Некоторые устройства VO были установлены в высокочастотных цепях освещения, что приносило небольшую коммерческую выгоду или вообще не приносило никакой коммерческой выгоды, поэтому следует соблюдать осторожность при использовании этого термина.

Большинство устройств VO устанавливаются в коммерческих помещениях между основным сетевым трансформатором и главным распределительным щитом низкого напряжения. Однако это не обеспечивает селективности и с точки зрения электротехники считается плохим решением. Управляющий объектом и компания VO должны провести полное исследование, чтобы выбрать, какие поставки могут принести пользу владельцу за счет снижения напряжения, а какие не принесут коммерческой выгоды. Таким образом, владелец покупает только ВО нужного размера, а не тот, который предназначен для всех расходных материалов. Установка устройства VO для «оптимизации» всех поставок обеспечит более длительный возврат инвестиций, более высокие капитальные затраты и не имеет большого коммерческого смысла.

Великобритания

Заявленное низковольтное электроснабжение в Соединенном Королевстве в соответствии с Правилами электробезопасности, качества и непрерывности 2002 года теперь составляет 230 В с допуском от +10% до -6%. Это означает, что напряжение питания теоретически может находиться в диапазоне от 216 В до 253 В в зависимости от местных условий. Однако среднее напряжение, подаваемое из национальной сети (на материковой части Великобритании), составляет 242 В. ^[1] по сравнению с типичным европейским напряжением 218–222 В. (Среднее напряжение питания в Северной Ирландии составляет около 239 В, а в Ирландской Республике — 235 В. ^[2])

Старое электрооборудование, произведенное для Великобритании, было рассчитано на напряжение 240 В, а старое оборудование, произведенное для континентальной Европы, было рассчитано на 220 В (см. « Напряжения в мировой сети »). Новое оборудование должно быть рассчитано на напряжение 230 В. В старых помещениях, скорее всего, будет использоваться смешанное оборудование. Все оборудование, поступившее на рынок ЕС после гармонизации напряжения в 1995 году, должно удовлетворительно работать при напряжении в диапазоне 230 В +/- 10%. Оборудование, рассчитанное на напряжение 220 В, должно удовлетворительно работать при напряжении до 200 В. ^[3] Эффективно доводя напряжение питания до нижнего предела установленного законом диапазона напряжений, технология оптимизации напряжения может обеспечить среднюю экономию энергии примерно на 13 %. ^{[ нужна ссылка ]}.

Чем выше напряжение, тем выше потребляемая мощность в случае чисто резистивной нагрузки. Снижение напряжения не влияет на энергию, потребляемую бытовыми приборами, использующими резистивную нагрузку, за исключением таких устройств, как чайники и тостеры, которым требуется больше времени для выполнения своей работы из-за потерь в атмосфере. Основная коммерческая выгода при установке блоков VO заключается в индуктивных нагрузках, таких как двигатели, приводящие в движение насосы, вентиляторы и т.п. ^{[ нужна ссылка ]} В доме потенциальная экономия энергии может составлять до 12% на счетах за электроэнергию. Устройство VO снизит напряжение до наиболее эффективного уровня, чтобы максимизировать экономию потребления электроэнергии, поэтому вы можете заметить, что некоторые вещи требуют немного больше времени, например, закипание чайника может занять немного больше времени. ^[4]

Распространено заблуждение, что холодильники и морозильники не обеспечивают экономии за счет оптимизации напряжения, поскольку они оснащены термостатом. Холодильники и морозильники работают совершенно иначе, чем устройства резистивного нагрева. Если резистивное нагревательное устройство питается от более высокого напряжения, в результате получается тепло, которое полезно для его прямого назначения (нагрев). Если холодильник или морозильник питается от более высокого напряжения, в результате также выделяется тепло, однако это не помогает по назначению (охлаждение). Выходная мощность двигателя компрессора немного снижается за счет оптимизации напряжения, поэтому термостат холодильника/морозильника будет поддерживать двигатель включенным немного дольше, однако в целом двигатель будет работать немного дольше при гораздо меньших потерях. Испытания в Манчестерском университете показали снижение температуры двигателя на 10 °C при оптимизации напряжения благодаря уменьшению потерь в двигателе. ^{[ нужна ссылка ]}

Распространенные проблемы с качеством электроэнергии

Перенапряжение

Под перенапряжением понимается напряжение, превышающее напряжение, при котором оборудование предназначено для наиболее эффективной работы. Это может привести к сокращению срока службы оборудования и увеличению потребляемой энергии без улучшения производительности. В комментарии к Правилам электромонтажа BS 7671 в отношении перенапряжения содержатся следующие утверждения: «Лампа на 230 В, используемая при напряжении 240 В, проработает только 55% номинального срока службы» (имеется в виду лампы накаливания ) и «Линейный прибор на 230 В, подключенный к сети 240 В, будет потреблять на 4,3% больше тока и почти на 9% больше энергии».

Чтобы избежать перенапряжения, можно использовать различные технологии, но это должно быть сделано настолько эффективно, чтобы экономия энергии, возникающая в результате использования правильного напряжения, не компенсировалась потерями энергии внутри используемого для этого устройства. Надежность также важна, и существуют потенциальные проблемы, связанные с передачей полной поступающей мощности через электромеханические устройства, такие как регулируемые автотрансформаторы с сервоуправлением.

Под пониженным напряжением понимается напряжение ниже напряжения, при котором оборудование рассчитано на наиболее эффективную работу. Если в конструкции ВО не учтено падение напряжения на расстоянии до удаленных энергопотребителей, то это может привести к преждевременному выходу оборудования из строя, невозможности запуска, повышению температуры в случае обмоток двигателя и потере работоспособности.

Гармоники

Гармоники — это формы сигналов тока и напряжения, кратные основной частоте основного источника питания 50 Гц (или 60 Гц). Гармоники вызываются нелинейными нагрузками, к которым относятся источники питания компьютерного оборудования, регулируемые приводы и газоразрядное освещение. «Тройные» гармоники (нечетные кратные третьей гармоники) возникают, когда фазные напряжения не сбалансированы в трехфазных энергосистемах и добавляются к нейтрали, вызывая протекание ненужных токов. ^[5]

Возможные последствия, если уровень гармоник, известный как полное гармоническое искажение, становится слишком высоким, включают повреждение чувствительного электронного оборудования. ^[5] и снижение эффективности высоковольтного трансформатора. ^[6] Эффективность электрических нагрузок можно повысить за счет ослабления гармоник в сети питания или предотвращения их возникновения. Некоторые устройства оптимизации напряжения также подавляют гармоники, уменьшая потери, связанные с содержанием гармоник в электрической системе.

Переходные процессы

Переходные процессы – это большие, очень кратковременные и потенциально разрушительные повышения напряжения. Их причины включают удары молний, переключение больших электрических нагрузок, таких как двигатели, трансформаторы и электроприводы, а также переключение между источниками выработки электроэнергии для балансирования спроса и предложения. Хотя обычно они длятся всего лишь тысячные или миллионные доли секунды, переходные процессы могут повредить электронные системы, вызывая потерю данных, ухудшение характеристик компонентов оборудования и сокращение срока его службы. Некоторые устройства оптимизации напряжения включают защиту от переходных процессов.

Небаланс фазового напряжения

Промышленные и коммерческие объекты обеспечены трехфазным электричеством . Дисбаланс между фазами вызывает такие проблемы, как нагрев двигателей и существующей проводки, что приводит к расточительному расходу энергии. ^[7] Некоторые устройства оптимизации напряжения способны улучшить баланс электроснабжения здания, уменьшая потери и увеличивая срок службы трехфазных асинхронных двигателей.

Провалы мощности

Провалы мощности — это снижение напряжения, в основном кратковременное (<300 мс), но иногда и более длительное. Они могут вызвать ряд проблем с оборудованием, например, контакторы и реле могут выйти из строя, что приведет к остановке оборудования. Существует ряд методов работы при низком напряжении , включая источники бесперебойного питания, использование конденсаторов в цепях управления постоянным током низкого напряжения, использование конденсаторов на шине постоянного тока приводов с регулируемой скоростью. Необходимо следить за тем, чтобы меры по оптимизации напряжения не приводили к снижению напряжения до такой степени, что оборудование становится более уязвимым к провалам мощности.

Коэффициент мощности и реактивная мощность

Коэффициент мощности источника электропитания – это отношение активной мощности к полной мощности источника питания. Это полезная мощность, используемая сайтом, деленная на общую потребляемую мощность. Последний включает в себя мощность, которую невозможно использовать, поэтому желателен коэффициент мощности, равный 1. Низкий коэффициент мощности будет означать, что поставщик электроэнергии фактически будет поставлять больше энергии, чем указано в счете потребителя, и поставщикам разрешено взимать плату за низкий коэффициент мощности.

Реактивная мощность – это название неиспользуемой мощности. Он не работает в электрической системе, а используется для зарядки конденсаторов или создания магнитного поля вокруг поля катушки индуктивности. Реактивную мощность необходимо генерировать и распределять по цепи, чтобы обеспечить достаточную активную мощность для запуска процессов. Реактивная мощность значительно увеличивается с увеличением напряжения, поскольку увеличивается реактивное сопротивление оборудования. Таким образом, исправление этого с помощью оптимизации напряжения приведет к снижению реактивной мощности и улучшению коэффициента мощности.

Влияние на электрические нагрузки

Распространенным заблуждением в отношении оптимизации напряжения является предположение, что снижение напряжения приведет к увеличению тока и, следовательно, к постоянной мощности. Хотя это справедливо для определенных нагрузок с фиксированной мощностью, на большинстве объектов имеются разнообразные нагрузки, которые в большей или меньшей степени выиграют от экономии энергии, агрегируемой по всему объекту в целом. Преимущества типичного оборудования на трехфазных объектах обсуждаются ниже.

Трехфазные двигатели

Трехфазные асинхронные двигатели, вероятно, являются наиболее распространенным типом трехфазной нагрузки и используются в различном оборудовании, включая холодильное оборудование, насосы, системы кондиционирования воздуха, приводы конвейеров, а также в их более очевидных применениях. Влияние перенапряжения и трехфазного дисбаланса на двигатели переменного тока на снижение номинальных характеристик хорошо известно. ^[7] Чрезмерное перенапряжение приводит к насыщению железного сердечника, потере энергии из-за вихревых токов и увеличению потерь на гистерезис. Чрезмерное потребление тока приводит к избыточной теплоотдаче из-за потерь в меди. Дополнительная нагрузка от перенапряжения на двигатели сокращает срок их службы. ^[8]

Избегание перенапряжения, достаточно высокого, чтобы вызвать насыщение, не снижает эффективность. ^[9] поэтому значительная экономия энергии может быть достигнута за счет снижения потерь в железе и меди. Однако двигатели, рассчитанные на номинальное напряжение (например, 400 В), должны выдерживать нормальные изменения напряжения в пределах питания (+/-10%) без насыщения, поэтому это вряд ли станет серьезной проблемой.

Снижение напряжения на асинхронном двигателе незначительно повлияет на скорость двигателя, поскольку скольжение увеличится, но скорость в основном зависит от частоты питания и количества полюсов. КПД двигателя оптимален при разумной нагрузке (обычно 75%) и расчетном напряжении и слегка падает при небольших изменениях в обе стороны от этого напряжения. Большие изменения больше влияют на эффективность.

Снижение напряжения приносит наибольшую выгоду двигателям с очень низкой нагрузкой (<25%) и двигателям малой мощности. ^[9]

В случае двигателей, приводимых в действие приводами с регулируемой скоростью, при снижении входного напряжения происходит пропорциональное снижение выходного напряжения преобразователя частоты, и двигатель будет потреблять меньший ток и, в конечном итоге, потреблять меньше энергии. Однако если двигатель работает с высокой нагрузкой (>80%), снижение напряжения приведет к уменьшению крутящего момента, и двигатель в конечном итоге будет потреблять больше тока и мощности.

Освещение

Когда осветительные нагрузки используются большую часть времени, экономия энергии на осветительном оборудовании чрезвычайно важна. Когда напряжение снижается, при освещении лампами накаливания наблюдается значительное снижение потребляемой мощности, значительное снижение светоотдачи и увеличение срока службы, как показано в предыдущих выдержках из «Руководства для электриков». Поскольку снижение светоотдачи превысит уменьшение потребляемой мощности, энергоэффективность – светоотдача – освещения упадет. ^[10]

Однако другие типы освещения также могут выиграть от улучшения качества электроэнергии, включая системы с резистивными или реактивными балластами. Люминесцентное и газоразрядное освещение более эффективно, чем освещение лампами накаливания. Люминесцентное освещение с обычными магнитными балластами позволит снизить энергопотребление, но также и уменьшить световой поток лампы. Люминесцентные лампы на современных электронных балластах будут потреблять примерно такую же мощность и давать такой же свет. ^[3]

Для обеспечения той же мощности при пониженном напряжении потребуется больший ток и увеличение потерь в кабеле. Однако контроллеры освещения и балласты ответственны за генерацию высоких уровней гармонических искажений, которые можно фильтровать с помощью некоторых типов оптимизаторов напряжения, что дополнительно снижает потребность в контроллерах освещения. ^[3] Распространенной проблемой является то, что некоторые осветительные приборы не смогут зажечься при более низком напряжении. Однако этого не должно происходить, поскольку цель оптимизации напряжения состоит не в том, чтобы просто снизить напряжение, насколько это возможно, а в том, чтобы довести его до напряжения рабочего уровня, при котором оно было разработано для наиболее эффективной работы.

Обогрев

Обогреватели будут потреблять меньше электроэнергии, но давать меньше тепла. Обогреватели или водонагреватели с термостатическим управлением будут потреблять меньше энергии во время работы, но им придется работать каждый час дольше, чтобы обеспечить необходимую мощность, что не приведет к экономии.

Импульсные источники питания

Импульсные источники питания будут потреблять ту же мощность, что и раньше, но для достижения этой цели будут потреблять немного больший ток, со слегка увеличенными потерями в кабеле и небольшим риском отключения автоматических выключателей при увеличении тока .

Экономия энергии

Экономия энергии, достигаемая за счет оптимизации напряжения, представляет собой совокупность повышения эффективности всего оборудования на объекте в ответ на улучшение проблем качества электроэнергии, описанных выше. Это возможная технология экономии энергопотребления в определенных обстоятельствах.

Исследования на Тайване ^[11] предположил, что для промышленного источника питания при снижении напряжения перед трансформатором происходит снижение энергопотребления на 0,241% при уменьшении напряжения на 1% и увеличение на 0,297% при увеличении напряжения на 1%. При этом предполагалась смесь нагрузок, включающая 7% люминесцентного освещения, 0,5% освещения с лампами накаливания, 12,5% трехфазных кондиционеров, 5% двигателей, 22,5% небольших трехфазных двигателей, 52,5% больших трехфазных двигателей.

Вполне вероятно, что современная установка будет иметь меньше возможностей: почти нет ламп накаливания, частично высокочастотное люминесцентное освещение (без экономии), некоторые приводы с регулируемой скоростью (без экономии), более высокий КПД двигателя (так меньше отходов для экономии). Установка в Северной Европе не будет иметь большого количества небольших однофазных двигателей для кондиционирования воздуха.

Экономия энергии возможна при использовании устаревшего освещения за счет более низкой светоотдачи (например, лампы накаливания или люминесцентные лампы, а также газоразрядное освещение с неэффективным балластом или механизмом управления). Таким образом, старые коммерческие и офисные помещения могут сэкономить больше, чем современные здания или промышленные объекты. Однако современные системы освещения (обычно светодиодные) сэкономят значительно больше энергии благодаря более высокой эффективности, чем энергия, сэкономленная в старых системах освещения после установки оптимизатора напряжения.

Получение экономии энергии с помощью оптимизатора напряжения, используемого в современных системах освещения, весьма сомнительно. Современные электронные контроллеры переключения для светодиодных или люминесцентных систем освещения предназначены для обеспечения оптимальной светоотдачи и долговечности с высокой эффективностью. Таким образом, изменения напряжения питания не будут иметь никакого влияния на общее потребление энергии этими типами светильников. Однако существуют типы недорогих контроллеров светодиодов и люминесцентных ламп, которые снижают напряжение за счет выделения энергии в виде тепла (например, несколько светодиодов, соединенных последовательно с последовательным сопротивлением). Изменение напряжения питания может повлиять на энергию, потребляемую этими типами светильников, но лампы такого типа, как правило, имеют низкую мощность, и это также повлияет на светоотдачу.

Рабочий пример

Типичная лампа накаливания мощностью 100 Вт имеет эффективность не более 17,5 люмен на ватт (л/Вт) и, следовательно, производит 1750 люмен при номинальном напряжении. Типичная современная светодиодная лампа имеет эффективность около 150 люмен на ватт, поэтому для той же светоотдачи требуется не более 12 ватт. Согласно формулам изменения номинальных характеристик лампы , снижение напряжения на лампе накаливания на 10 % снижает мощность (и, следовательно, энергию) примерно на 16 % и снижает светоотдачу примерно на 31 %.

Следовательно, оптимизатор напряжения, снижающий напряжение на лампе накаливания на 10%, снизит энергию на 16% и светоотдачу на 31%, производя всего 1210 люмен и потребляя 84 Вт. Замена лампы накаливания на светодиодную с аналогичной светоотдачей позволила бы снизить потребление более эффективно — до 12 Вт. Более того, поскольку светоотдача снижается настолько сильно, большую экономию можно получить, перейдя на лампу накаливания мощностью 75 Вт без оптимизатора напряжения (1312,5 люмен при 17,5 л/Вт). Светодиодную лампу также можно уменьшить до 8 Вт, если требуется всего 1210 люмен.

См. также

Ссылки

^ «Группа пользователей безмерных расходных материалов Elexon» (PDF) . 14 ноября 2007 г.
^ «Измеренное напряжение на объекте в Ирландии» .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Чен, MS; РР Шоулс; Дж. Фитцер (1981). Влияние пониженного напряжения на работу и КПД электрических нагрузок . EPRI, Арлингтон, Техасский университет.
^ Худ, ГК (26–29 сентября 2004 г.). «Влияние изменения напряжения на энергопотребление и стоимость энергии в домашнем хозяйстве» (PDF) . Доклад, представленный на конференции по энергетике австралийских университетов (AUPEC 2004) . Школа науки и техники, Университет Балларата . Проверено 13 мая 2011 г.
^ Jump up to: ^а ^б «Материалы 8-й Международной конференции по гармоникам и качеству электроэнергии». 14 октября 1998 г. {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )
^ Рекомендуемая IEEE практика установления возможностей трансформатора при подаче несинусоидальных токов нагрузки Стандарт ANSI/IEEE C57.110–1986, 1986
^ Jump up to: ^а ^б Фаиз, Дж; Эбрахимпур, Х. (сентябрь 2007 г.). «Точное снижение номинальных характеристик трехфазных асинхронных двигателей с несбалансированным напряжением». Преобразование энергии и управление . 48 (9): 2579–2586. дои : 10.1016/j.enconman.2007.03.023 .
^ «Тридцать второе ежегодное собрание IAS». Конференция по отраслевым приложениям . 1 : 196–200. 5 октября 1997 г.
^ Jump up to: ^а ^б Транзакции IEEE для промышленных приложений . 1А-8, № 4. Июль 1972 г. {{cite journal}}: Отсутствует или пусто |title= ( помощь )
^ «Международная домашняя страница OSRAM — новый OSRAM | Light — это OSRAM» .
^ Чен, Чао-Шун; Чан, Шун-Ю (1987). «Влияние снижения напряжения на распределительные системы» . Исследование электроэнергетических систем . 12 .

[1] «Группа пользователей безмерных расходных материалов Elexon» (PDF) . 14 ноября 2007 г.

[2] «Измеренное напряжение на объекте в Ирландии» .

[Chen-3] Jump up to: ^а ^б ^с Чен, MS; РР Шоулс; Дж. Фитцер (1981). Влияние пониженного напряжения на работу и КПД электрических нагрузок . EPRI, Арлингтон, Техасский университет.

[Hood_2004-4] Худ, ГК (26–29 сентября 2004 г.). «Влияние изменения напряжения на энергопотребление и стоимость энергии в домашнем хозяйстве» (PDF) . Доклад, представленный на конференции по энергетике австралийских университетов (AUPEC 2004) . Школа науки и техники, Университет Балларата . Проверено 13 мая 2011 г.

[ReferenceA-5] Jump up to: ^а ^б «Материалы 8-й Международной конференции по гармоникам и качеству электроэнергии». 14 октября 1998 г. {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )

[6] Рекомендуемая IEEE практика установления возможностей трансформатора при подаче несинусоидальных токов нагрузки Стандарт ANSI/IEEE C57.110–1986, 1986

[Energy-7] Jump up to: ^а ^б Фаиз, Дж; Эбрахимпур, Х. (сентябрь 2007 г.). «Точное снижение номинальных характеристик трехфазных асинхронных двигателей с несбалансированным напряжением». Преобразование энергии и управление . 48 (9): 2579–2586. дои : 10.1016/j.enconman.2007.03.023 .

[8] «Тридцать второе ежегодное собрание IAS». Конференция по отраслевым приложениям . 1 : 196–200. 5 октября 1997 г.

[IEEE-9] Jump up to: ^а ^б Транзакции IEEE для промышленных приложений . 1А-8, № 4. Июль 1972 г. {{cite journal}}: Отсутствует или пусто |title= ( помощь )

[10] «Международная домашняя страница OSRAM — новый OSRAM | Light — это OSRAM» .

[11] Чен, Чао-Шун; Чан, Шун-Ю (1987). «Влияние снижения напряжения на распределительные системы» . Исследование электроэнергетических систем . 12 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]