ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ
FENRUS

Цель данного проекта – предоставить описание источников перерасхода электроэнергии и предложить способы снижения суммарного потребления электричества
на 40-45% при сохранении существующего электрооборудования на предприятии

Энергоэффективность на предприятии
Для любого эффективного предприятия оптимизация себестоимости выпускаемой продукции является одной из основ достижения максимальной рентабельности бизнеса. Обеспечение предприятия электроэнергией сопряжено с расходами, увеличивающими издержки на производство продукции: существенная часть производственной себестоимости – это затраты на электроэнергию.
Наиболее эффективные принципы сокращения затрат на электроэнергию основаны на передовом опыте ведущих мировых производителей электрооборудования и энергетических сообществ.
Fenrus применяет эти принципы для кардинального высвобождения электрической мощности и существенной экономии на оплате электроэнергии на базе действующего оборудования на предприятии.
Комплекс обеспечивает
По результатам анализа особенностей потребления электроэнергии производится многофакторное моделирование путей энергосбережения, проектирование, изготовление, настройка и ввод в эксплуатацию энергосберегающего комплекса, обеспечивающего:
I
I
Преобразование гармонических искажений
в активную мощность
II
II
Уменьшение количества реактивной энергии

III
III
Увеличение активной мощности, доступной для потребления
IV
IV
Повышение стабильности напряжения в цепях потребителя
До момента запуска проекта по энергосбережению формируются целевые показатели сокращения потребления электроэнергии, которые позволяют произвести точный расчет окупаемости и экономического эффекта от внедрения системы.
Показатели сокращения энергопотребления описываются как условие исполнения проекта и фиксируются в договоре.
Потери в электросетях
Существует несколько причин возникновения потерь в сетях предприятия, в данной статье рассматриваются основные причины потерь и методы их устранения:
1. Гармонические искажения
2. Реактивная мощность
1. Гармонические
искажения
В связи с применением устройств, содержащих в себе выпрямители тока, в электросетях появилось большое количество возмущений (помех), называемых гармониками, благодаря которым потери электроэнергии могут возрастать до 40%.

Гармоники – это паразитная энергия, образующаяся (передающаяся) на частотах, отличных от основной частоты 50 Гц, и искажающая форму синусоидального сигнала.
Искажение синусоидального сигнала
В основе кардинального сокращения издержек энергопотребления лежит комплексное обследование электросетей на предмет выявления и анализа основных источников потерь, таких как:
1
Синусоидальной составляющей с основной частотой колебаний
2
Синусоидальных составляющих, частоты которых являются целыми кратными основной частоты (гармоник);
3
Возможной постоянной составляющей
Гармоника ряда n
Гармоника ряда n представляет собой синусоидальную составляющую сигнала с частотой, равной n-кратному значению основной частоты. Разложение периодической функции на гармонические составляющие выражается следующей формулой:
Где:
Yo - значение постоянной составляющей, обычно равной нулю и в дальнейшем считающейся равной нулю;
Yn - действующее значение гармоники n-го порядка;
ω - пульсация основной частоты;
φn - сдвиг фазы гармонической составляющей при In = 0.
Например, для сигналов, которыми являются волны тока и напряжения электросети:
-1-
Основная частота (или гармоника
1-го порядка)
Частота 50 Гц
-2-
Гармоника
2-го
порядка
частота 100 Гц
-3-
Гармоника
3-го
порядка
частота 150 Гц
-4-
Гармоника
4-го
порядка
частота 200 Гц
и т.д.
Искаженный сигнал
ИСКАЖЕННЫЙ СИГНАЛ является результирующей наложения гармоник различных порядков
На рисунке 1 приведен пример тока, подвергающегося гармоническим искажениям:
Рисунок 1.
Пример тока, содержащего гармоники, и разложение суммарного тока на гармонические составляющие 1-го, 3-го, 5-го, 7-го и 9-го порядков.
Способ представления: частотный спектр
Другим основным способом представления гармоник является частотный спектр. Это практичное графическое средство позволяет оценить присутствующие гармоники.

Спектр представляет собой гистограмму, отображающую амплитуду каждой гармоники в зависимости от её порядка. Этот способ представления также называют спектральным анализом.

Исследование спектра позволяет оценить одновременно и сами присутствующие гармоники, и их величину.
СПЕКТР СИГНАЛА
с основной составляющей 50 Гц и с гармониками 3-го (150 Гц), 5-го (250 Гц), 7-го (350 Гц) и 9-го порядков (450 Гц)
На рисунке 2 показан спектр сигнала, представленного на рисунке 1
Источники гармоник
Источниками гармоник являются любые приборы и оборудование с нелинейными характеристиками:
Частотные
приводы
Устройства плавного пуска двигателя
Компьютеры
и оргтехника
Конденсаторные установки для компенсации реактивной мощности (без фильтров)
Люминесцентные
и светодиодные
лампы
Источники бесперебойного питания, выпрямители и преобразователи напряжения
Дуговая сварка и индукционные печи
Трансформаторы, реакторы
Нелинейная нагрузка, искажающая форму кривой тока
Происхождение гармоник
Гармонический ток, как правило, идёт навстречу току полезной нагрузки. Это ведет к уменьшению нагрузочной способности тока, к снижению КПД электросети и к её перегреву.
Питание нелинейных нагрузок генерирует гармонические токи, циркулирующие в сети.
Гармоническое напряжение появляется в результате прохождения гармонического тока в сопротивлениях цепей питания (трансформатор и сеть в случае, представленном на рис. 3)
Рисунок 3. Однолинейная схема, изображающая сопротивление цепи питания для гармоники h-порядка
Гармонический ток h-порядка создает через сопротивление Zh гармоническое напряжение (Uh, равное Uh = Zh x Ih, в соответствии с законом Ома для участка цепи. Напряжение в точке В соответственно искажается.
Поэтому любой аппарат, запитываемый от точки В, получает искаженное напряжение. Это искажение для данного гармонического тока тем больше, чем больше сопротивление сети.
Прохождение гармоник в сетях
На рисунках 4а и 4б изображён вид электроустановки, подверженной возмущениям из-за гармоник, при этом сначала показана установка, по которой проходит ток с частотой 50 Гц (рис. 4а), а затем установка с проходящим по ней гармоническим током h-порядка (рис. 4б).
Рисунок 4a. Схема установки, питающей нелинейную нагрузку, на которой представлены только явления, связанные с частотой 50 Гц (основная частота).

Рисунок 4б. Схема установки, питающей нелинейную нагрузку, на которой представлены только явления, связанные с частотой гармоники h-порядка.
Питание этой нелинейной нагрузки генерирует прохождение в сети тока I50Гц (изображённого на рис. 4а), к которому добавляется каждый из гармонических токов Ih (изображенный на рис. 4б), соответствующий каждой гармонике
h-порядка.
Продолжая рассматривать пример нагрузок, отдающих гармонический ток в сеть, можно схематически представить циркуляцию гармонических токов в сети
(рис. 5).












Рисунок 5. Циркуляция гармонических токов в сети

Гармоники, генерируемые источниками, не остаются в системе, а проявляются в соседних связанных электросетях и могут приводить к катастрофическим последствиям:
Перегрев и выход из строя трансформаторов
Увеличение тока или перегрузка током конденсаторов и шум
Сбои в работе систем контроля
Изменение напряжения
Перегрузка вращающихся устройств
Ошибки срабатывания автоматических выключателей
Большой ток в нейтрали и низкое напряжение между фазой и PE
Потери от воздействия гармоник
Наличие гармонических искажений приводит к существенным потерям электроэнергии:
1
До 40% оплачиваемой электроэнергии преобразуется в излишнее тепло посредством нагрева проводников, трансформаторов, двигателей и иных потребителей;
2
Наличие гармоник ведет к значительному увеличению инвестиционных вложений на стадии приобретения мощностей (заведомое завышение характеристик генераторов, трансформаторов и кабельных сетей);
Пример: характеристики трансформатора снижаются в 2 раза по сравнению с номиналом, если 60 % его нагрузки составляют электронные приборы.







Рисунок 6. Коэффициент снижения параметров для трансформатора, питающего электронные нагрузки
В связи с этим необходимо принимать меры для снижения уровня искажений в сети (гармоник) и рационального использования электроэнергии. Для борьбы с гармониками применяются фильтры, пассивные или активные, которые улучшают качество электроэнергии в сети и, при условии правильно выбранных параметров, позволяют значительно снизить энергопотребление предприятия.
2. Реактивная мощность
Электрические нагрузки потребляют из сети активную электроэнергию для выполнения определенной работы (компьютеры, принтеры, диагностическое оборудование и т. д.), для преобразования электрической энергии в другие виды энергии (осветительные или нагревательные приборы и т. п.), либо в механическое движение (электродвигатели и т. п.).
Для того чтобы потреблять активную энергию, многим нагрузкам необходимо обмениваться с сетью еще и реактивной энергией. Большинство нагрузок имеют, как правило, индуктивный характер. Такой обмен, даже если он не сопровождается немедленным преобразованием энергии в иные формы, увеличивает общий поток энергии в сети, от генераторов к потребителям. Этот нежелательный процесс ограничивают путем коррекции коэффициента мощности электроустановок посредством конденсаторных батарей.
Электроустановка получает необходимую для передачи полезной электрической энергии реактивную энергию не из сети, а от собственной батареи, что улучшает ее технические и экономические характеристики.

Электрические установки переменного тока, в состав которых входят такие приемники электроэнергии, как трансформаторы, электродвигатели, электросварочные аппараты, силовая электроника и т. д., и особенно приемники, в которых имеется сдвиг фаз между током и напряжением, потребляют электроэнергию, которая называется «полной энергией» (E app).

Рисунок 7. Сдвиг фаз между током и напряжением (угол φ)
Полная энергия обычно измеряется в киловольт-ампер-часах (кВАч). Ей соответствует полная мощность S (кВА).
Данная энергия может быть представлена в виде двух составляющих:

Рисунок 8. Составляющие полной мощности.
- Активная энергия (Ea): измеряется в киловатт-часах (кВтч). Она преобразуется приемниками в механическую работу и тепло. Активной энергии соответствует активная мощность P (кВт).
- Реактивная энергия (Er): измеряется в киловар-часах (кварч). Она расходуется на создание магнитных полей в обмотках электродвигателей и трансформаторов, необходимых для работы этих устройств. Реактивной энергии соответствует реактивная мощность Q (квар). В отличие от активной, реактивная энергия «бесполезна» для потребителя.
По определению, коэффициент мощности (или cosφ) электрического устройства равен отношению активной мощности P (кВт) к полной мощности S (кВА), и принимает значения от 0 до 1.
Таким образом, по коэффициенту мощности можно судить о количестве реактивной энергии, потребляемой электрическими устройствами:
Если коэффициент мощности равен 1, то потребляемая устройством реактивная энергия равна нулю (чисто активная нагрузка).
Если коэффициент мощности меньше 1, то потребляемая устройством реактивная энергия не равна нулю, причем, чем ниже коэффициент, тем больше потребляемая реактивная энергия.
Для чисто индуктивной нагрузки коэффициент мощности равен 0.
Для отдельных цехов, подключенных к одной и той же сети электропитания, коэффициент мощности может быть разным. Это зависит от типа используемых электроустановок и режима их работы (частичная или полная нагрузка и т. п.)
Потери от реактивной мощности
Наличие реактивной мощности приводит к существенным потерям электроэнергии:
1
1
Увеличение энергопотребления и расходов на оплату электроэнергии
2
2
Перегрузка трансформаторов
3
3
Перегрев силовых кабельных линий
4
4
Сильное падение напряжения
5
5
Уменьшение распределяемой активной мощности
Оптимальный коэффициент мощности (cosφ близкий к 1) позволяет оптимизировать работу электроустановки и обеспечивает следующие преимущества:
Уменьшение доли реактивной энергии в счете за электроэнергию
Уменьшение количества потребленной энергии в кВА
Уменьшение активных потерь в кабельных линиях благодаря снижению тока, потребляемого электроустановкой
Повышение стабильности напряжения для потребителя
Снижение потерь электроэнергии в силовом трансформаторе
3. Описание услуг
Предлагаемые услуги включают комплексное обследование энергопотребления предприятия с целью оптимизации расходов на электроэнергию и высвобождения электрических мощностей, и последующее внедрение аппаратно-программного комплекса для коррекции энергопотребления.
1
Анализ характеристик энергопотребления предприятия
В ходе анализа характеристик энергопотребления выполняется комплексное обследование ключевых параметров электроснабжения, влияющих на потери электроэнергии, на всем перечне потребителей и элементов электросети.
Диагностика потерь электроэнергии выполняется специалистом в области возмущений электрических сетей с использованием высокотехнологических инструментов анализа и моделирования параметров электроснабжения.
Диагностика включает в себя следующие работы:
1
Анализ напряжения и тока на уровне:
— Источника питания
— Сборных шин ГРЩ
— Каждой из отходящих линий ГРЩ
— Потребителей электроэнергии

В ходе этой работы производится диагностика следующих параметров:
— Уровни гармоник (до 19-ой включительно)
— Коэффициент мощности
— Коэффициент амплитуды
— Мощность искажения
— Общее гармоническое искажение
— cos φ
— tg φ
2
Компьютерное моделирование явлений в электросети с подробным объяснением их причин и оптимизированный поиск возможных решений
3
Подготовка и передача детального диагностического отчёта
4
Оценка и обоснование гарантированного эффекта снижения электропотребления на основе индивидуальных особенностей электроснабжения исследуемого предприятия
2
Проектирование, изготовление и ввод в эксплуатацию аппаратно-программных комплексов коррекции энергопотребления
По результатам анализа характеристик энергопотребления выполняется проектирование, изготовление и установка комплекса энергосбережения. Данный комплекс разрабатывается индивидуально под каждое предприятие и включает в себя оптимальный набор фильтрующих элементов и устройств компенсации потерь энергоснабжения. Все аппаратные компоненты комплекса настраиваются на синхронную работу под управлением специализированного промышленного программного обеспечения, имеют должный уровень избыточности для соблюдения высочайшей надежности и работы в режиме пиковых нагрузок в электросети.
В ходе этого этапа выполняется следующий перечень работ:
Проектирование
Количественный расчёт защит и фильтров подавления гармоник, необходимых для каждого конкретного трансформатора, генератора, а также потребителя (станка, компрессорного агрегата, индукционной печи и т.д.)
Изготовление оборудования
Благодаря отлаженной системе производства высококачественное сложное оборудование изготавливается в минимальные сроки. В качестве комплектующих используются только компоненты мировых лидеров индустрии электроснабжения, таких как Schneider Electric, АВВ, EPCOS, Elektronicon, ZEZ Silko, OEZ, что обеспечивает высочайшие надежность и качество выпускаемых изделий.
Ввод в эксплуатацию
Установка на объекте и подключение к электросети системы энергосбережения производится в кратчайшие сроки и в строго отведенные часы планово-предупредительного ремонта на предприятии. По окончанию пуско-наладочных работ система настраивается на базовые механизмы коррекции энергопотребления. В течение месяца завершаются настройки комплекса энергосбережения, система выходит на полную мощность согласно заявленным объемам снижения потребления электроэнергии.
3
Гарантийное и постгарантийное обслуживание
Fenrus обеспечивает гарантийное и постгарантийное техническое обслуживание устанавливаемых аппаратно-программных решений. Гарантийные обязательства распространяются на весь комплекс услуг, оборудования и программного обеспечения:
На программное
обеспечение

На оборудование, согласно гарантии завода-изготовителя
На электромонтажные
работы
Аппаратно-программные комплексы настраиваются полностью на автоматическое управление. Благодаря этому участие персонала предприятия в обслуживании системы энергосбережения не требуется.
При возникновении гарантийного случая, восстановление рабочего режима системы обеспечивается в течение нескольких часов.
Обслуживание комплекса включает в себя регулярные визиты специалистов Fenrus с целью профилактического контроля за состоянием системы, а также коррекции настроек в случае изменения режимов энергопотребления предприятия, например, при вводе новых потребителей электроэнергии.
4
Достигаемый эффект - примеры
Типичным результатом внедрения комплекса энергосбережения
является значительное устранение гармонических искажений

Спектральное разложение гармоник – до и после запуска системы энергосбережения
Рисунок 9.
Слепки экранов диагностической программы оценки гармонических искажений. Производство продуктов питания. Санкт-Петербург. 2013 г.
О положительном эффекте от внедрения данного комплекса энергосбережения можно судить по представленным ниже фотографиям, на которых показаны значения силы тока на потребителе ДО и ПОСЛЕ внедрения энергосберегающих решений (при одинаковых условиях нагрузки).
Сила тока на потребителе - до и после запуска системы энергосбережения
Фотография 1. Сила тока на потребителе. Производство продуктов питания. Санкт-Петербург. 2013 г.
Реализованные решения не являются традиционными установками компенсации реактивной мощности, а представляют собой значительно более сложный программно-аппаратный комплекс, который выполняет тройную функцию: фильтрует гармоники, компенсирует реактивную мощность и симметрирует напряжение.
4. Справка о компании
Fenrus - инжиниринговая организация, предоставляющая комплексные услуги в области сокращения издержек энергоснабжения предприятий.
Анализ характеристик энергопотребления предприятий
Проектирование, изготовление и ввод в эксплуатацию аппаратно-программных комплексов согласно индивидуальным особенностям энергосетей компаний
Гарантийное и постгарантийное обслуживание реализованных систем коррекции энергоснабжения
Контакты для связи:
Александр Перепечин, генеральный директор

тел. +7 (916) 650 65 98
e-mail: ap@fenrus.ru
сайт компании: www.fenrus.ru
Цель данного проекта – предоставить описание источников перерасхода электроэнергии и предложить способы снижения суммарного потребления электричества
на 40-45% при сохранении существующего электрооборудования на предприятии
Контакты
Made on
Tilda