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.