IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Электроприводами потребляется более 60% производимой в мире электроэнергии, поэтому вопросы энергосбережения имеют чрезвычайно важное значение. Для России это тем более важно, поскольку стоимость электроэнергии возрастает и при неэкономичных системах электроприводов производственные расходы возрастают, соответственно возрастает стоимость вырабатываемой технологическими комплексами продукции.Установленные стандартами показатели качества электроэнергии делают необходимым при выборе систем электроприводов, особенно при большой их установленной мощности, рассмотрение всей электротехнической цепи от КТП (комплектная трансформаторная подстанция), где осуществляется контроль потребляемой активной и реактивной мощности и качества электроэнергии, до исполнительных органов рабочих и транспортных машин. Следует оптимально осуществлять набор силовых модулей (трансформаторов, реакторов, фильтров, полупроводниковых преобразователей, тормозных средств), при которых обеспечиваются минимальные потери электроэнергии, не нарушаются показатели качества электроэнергии у источника питания и решаются все задачи технологии.

К основным методам сбережения электроэнергии в автоматизированных электроприводах технологических агрегатов и комплексов относятся следующие:

1. Применение вместо нерегулируемых электроприводов регулируемых, с помощью которых возможно при изменении режимов работы технологического оборудования и физико-механических свойств обрабатываемого вещества, устанавливать оптимальные по энергетическим затратам условия обработки вещества, например, оптимальные скорости насосов расхода и свойств жидкости, шпинделей металлообрабатывающих станков, размеров и материала обрабатываемых деталей, роторов дробилок, размеров и свойств дробимых веществ. Переход на регулирование давления и расхода воды насосных агрегатов с помощью регулируемых электроприводов, взамен дроссельного регулирования, приводит к исключению потерь напора и экономии электроэнергии, примерно на 30 %. Насос, как устройство преобразования энергии, имеет свой коэффициент полезного действия - отношение механической энергии, приложенной к валу, к гидравлической энергии, получаемой в напорном трубопроводе насосного агрегата. Анализ требуемого изменения частоты насосного агрегата при изменении расхода в сети показывает, что с уменьшением расхода требуется снижение частоты вращения. Если рассмотреть работу агрегата для расхода меньше номинального, то для этих режимов рационально работать с пониженной частотой вращения. В этом случае КПД насоса выше, чем при работе с номинальной частотой вращения. Таким образом, снижение частоты вращения в соответствии с технологической нагрузкой позволяет не только экономить потребляемую энергию благодаря исключению гидравлических потерь, но и получить экономический эффект из-за повышения коэффициента полезного действия насоса.

2. Применение силовых модулей регулируемых электроприводов, имеющих максимальные коэффициенты полезного действия и мощности (главными среди них являются электродвигатели, управляемые полупроводниковые преобразователи — выпрямители и инверторы, тормозные модули, обеспечивающие рекуперацию электроэнергии от двигателя в сеть переменного или постоянного напряжения); максимально возможное исключение потерь электроэнергии при использовании тормозных резисторов. Для примера рассмотрим тяговые электроприводы маршрутного электротранспорта, в частности трамвая. В широко распространенных тяговых электроприводах трамваев с пуско-тормозными реостатами потери в реостатах достигают 63% энергии, потребляемой трамваем из контактной линии. Непосредственно на движение задействуется 25 % энергии сети, а 63 % энергии превращаются в тепло в реостатах в процессах разгона и торможения трамвая. Замена реостатного регулирования электроприводов на регулирование с использованием транзисторных широтно-импульсных преобразователей дает возможность снизить потери в пусковых режимах и возвратить энергию, вырабатываемую при торможении, в контактную сеть. В результате расход энергии, потребляемой трамваем, уменьшается почти в 2 раза. Широтно-импульсный преобразовательосуществляет преобразование кодовых сигналов из диапазона чисел от 0 до 256 в длительность импульсов. Причем если на входе нуль, то на выходе формируется импульс отрицательной полярности и максимальной длительности, равной периоду следования импульсов широтно-импульсного преобразователя. При сигнале на входе, равном 256, формируется положительный импульс максимальной длительности; при сигнале на входе, равном 128, на выходе широтно-импульсного преобразователя формируются за период два разнополярных импульса одинаковой длительности. Преимущество использования ШИМ (Широтно-импульсная модуляция) - это легкость изменения величины напряжения при минимальных потерях. Конечно же, можно, применять делитель напряжения, но его работа основана на применении резисторов, а на них происходит рассеивание энергии, что в свою очередь вызывает нагрев и неэкономичность (преобразование электрической энергии в тепловую).Работа широтно-импульсного преобразователя реализуется с помощью полупроводниковых приборов – транзисторов. Максимальные потери на транзисторах бывают при их полуоткрытом состоянии. Поэтому используют два крайних положения: полностью открыты или закрыты, тогда потери минимальны. Частота срабатывания транзисторов очень большая, то есть переходные состояния имеют мало времени и потери, фактически, сводятся к нулю. ШИМ нашел широкое применение как регулятор оборотов двигателей постоянного тока (ДПТ).

3. Исключение режимов пуска и торможения технологических агрегатов и комплексов в результате применения дополнительных механизмов с регулируемыми электроприводами, обеспечивающих совмещение движений основных механизмов в технологическом процессе для перевода их в непрерывные режимы работы. Для примера рассмотрим стан холодной прокатки металлической полосы, в котором имеются режимы: пуска агрегатов до заправочной скорости, заправки полосы, пуска до номинальной скорости, рабочей прокатки, остановки агрегатов и смены рулона на размотке. Далее цикл повторяется. Перевод стана в непрерывный режим осуществляется введением в технологическую схему дополнительных агрегатов. Непрерывный стан холодной прокатки, рассматриваемый с позиций автоматического регулирования, представляет собой сложный многомерный объект, характеризующийся наличием нескольких взаимосвязанных регулируемых параметров, нескольких регулирующих воздействий, а также многими возмущениями, действующими на различные элементы системы стана. Непрерывные станы холодной прокатки являются сложными агрегатами, для которых имеет место тесное слияние технологического процесса с системой многодвигательного автоматизированного электропривода и элементами конструкции самого стана.

Так же к основным направлениям энергосбережения средствами промышленного электропривода относится выбор электродвигателя. Энергосбережение по отношению к простейшему неуправляемому самому массовому электроприводу состоит в совершенствовании процедуры выбора двигателя для конкретной технологической установки с целью соблюдения номинального теплового режима двигателя в процессе эксплуатации. Постановка задачи очевидна – двигатель заниженной мощности быстро выходит из строя, а двигатель завышенной мощности преобразовывает энергию неэффективно, т.е. с высокими удельными потерями в самом двигателе (низкий КПД) и в подводящих линиях (низкий cosϕ). Решение задачи не всегда элементарно, часты ошибки, а т.к. простейших электроприводов миллионы, то возможен большой ущерб. В случаях, когда нагрузка неизменна, ошибки вызваны лишь низкой квалификацией разработчиков (двигатель выбирали по диаметру вала). Когда нагрузка меняется, выбор оказывается значительно сложнее, что ещё усугубляется недостаточностью исходной информации, паспортных и каталожных данных. В основе взаимоотношений между энергоснабжающей организацией и предприятием находятся устанавливаемые, с учетом тех или иных факторов, тарифы на электроэнергию. Несовершенство тарифа очевидно, так как он не учитывает качество потребляемой энергии и влияние этого параметра на характеристики электрооборудования. Минимальные затраты энергии возможны при разной степени аварийности электрооборудования, представляющей собой достаточно сложную функциональную зависимость от состояния оборудования, уровня его обслуживания, состояния энергетического хозяйства в целом, включая и характеристики электроэнергии. Общие затраты включают не только плату за электроэнергию, преобразованную тем или иным способом в полезный продукт, но и расходы на ремонт и обслуживание электрооборудования. По этой причине целесообразнее рассматривать показатель, который равен сумме непосредственных платежей за электроэнергию и затрат на восстановление электрооборудования: С = С1 + С2, где: С1 – затраты на электроэнергию, определенные по трехставочному или зонному тарифу; С2 – стоимость ремонтов, восстановления электрооборудования. Последний показатель достаточно высок и в основном показывает состояние энергохозяйства: при удовлетворительном – затраты на ремонт минимальны, при неудовлетворительном – сравнимы с платежами по основным статьям. Известно, что в отдельных подотраслях промышленности аварийность электродвигателей колеблется от 20 до 60–70 % в год, причем указанные показатели отличаются даже в случае однотипных предприятий или производств. Характерно, что при общем спаде производства количество аварийных выходов машин не уменьшается, а растет. С учетом недогрузки электрических машин в нормальном технологическом режиме на 20–25 % и снижении производительности в 2,5–3 раза, затраты на ремонт двигателей (при наработке на отказ 4000 час) вплотную приближаются к стоимости электроэнергии, которую потребил бы двигатель за время эксплуатации между двумя ремонтами при условии, что цена 1 кВт⋅ч находится на уровне 1–1,1 р. С учетом транспортных и иных расходов, связанных с аварийным выходом двигателей из строя, удельные затраты на ремонт приближаются к соответствующему показателю для новых заводских машин.

Повышения экономичности массового нерегулируемого электропривода посредством перехода на энергосберегающие двигатели и двигатели улучшенной конструкции, специально предназначенные для работы с регулируемым электроприводом.

В энергосберегающих двигателях за счет увеличения массы активных материалов (железа и меди) повышены номинальные значения КПД и cosϕ. Энергосберегающие двигатели используются, например, в США и дают эффект при постоянной нагрузке. Целесообразность применения энергосберегающих двигателей должна оцениваться с учетом дополнительных затрат, поскольку небольшое (до 5 %) повышение номинальных КПД и cosϕ достигается за счет увеличения массы железа на 30–35 %, меди на 20–25 %, алюминия на 10–15 %. Ориентировочные зависимости КПД и cosϕ от номинальной мощности для обычных и энергосберегающих двигателей фирмы «Гоулд» приведены на рис. 1.

Ожидается изменение методик проектирования двигателей, отвечающих их применению в составе именно регулируемого электропривода. Прежде всего это касается асинхронного двигателя, для которого отказ от традиционных требований фиксированных амплитуды и частоты питающей сети, прямого включения в питающую сеть, обеспечения заданной перегрузочной способности приводит к существенному изменению конструкции и резкому улучшению характеристик. Можно отметить выпуск серии асинхронных двигателей, спроектированных фирмой «Siemens» для общепромышленных электроприводов. Изменяется методика проектирования и других типов двигателей, расширяется их номенклатура. По-видимому, следует ожидать резкого, взрывного улучшения характеристик по-новому спроектированных двигателей для регулируемого электропривода и соответствующую корректировку требований к системам управления. Так, прогнозируется рост частоты питания двигателей в регулируемом электроприводе до 500–1000 Гц и выше и снижение индуктивностей обмоток. Наблюдается рост выпуска электропривода с синхронными двигателями с возбуждением от постоянных магнитов (так называемый бесконтактный ВД постоянного тока). Эти двигатели имеют наилучшие массогабаритные показатели, Среди других типов двигателей выделим индукторный двигатель (Switch Reluctance Motor), разработанный и активно предлагающийся в последние годы. Как утверждают разработчики, его характеристики улучшены, что в комбинации с упрощенным силовым преобразователем позволяет надеяться на его массовое применение. Перспективным является также синхронно-реактивный двигатель, который по прогнозам обладает массогабаритными показателями, лежащими в промежутке между соответствующими рекордными значениями синхронного двигателя и асинхронного двигателя, а по энергетической эффективности, возможно, превосходит их, причем при более низкой стоимости. Реактивные ВД упрощают схемы коммутаторов и якорных обмоток. При оптимизации угла опережения инвертора можно добиться увеличения момента и КПД привода. Существует оптимальный угол опережения в зависимости от частоты вращения. Увеличение КПД достигается также за счет соответствующего укорачивания шага обмотки.

На рис. 2 изображены максимальные мощности электрических машин.

Для наилучшего использования синхронного двигателя традиционной конструкции необходимо уменьшить сверхпереходные реактивные сопротивления (за счет открытых пазов статора, увеличения воздушного зазора, демпферной обмотки на роторе и др.) и реакцию якоря (за счет увеличения воздушного зазора и выбором коэффициента полюсного перекрытия).

Литература

1.Бабакин В.И. Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов и технологических комплексов. В 2-х ч., 2007г.

2.Герман-ГалкинС. Г. и др. Цифровые электроприводы с транзисторными преобразователями./ С.Г. Герман-Галкин и др. – Л.: Энергоатомиздат, 1986.

3.Краснов И.Ю. Методы и средства энергосбережения на промышленных предприятиях: учебное пособие / И.Ю. Краснов; Томский политехнический университет. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2012. – 186 с.

Код для цитирования: Скопировать