Эффективность работы агрегатов на основе электропривода

Примерно 60% потребляемой электроэнергии приходится на электроприводы, то есть на преобразование электрической энергии в механическую, 26% — на генерацию тепла и технологические процессы, и всего лишь около 5% — для освещения.

Таким образом, основной потенциал энергосбережения и эффективности находится в совершенствовании электропривода. Этот факт, а также совершенствование элементной базы, существенно повлияли на развитие отрасли.

Прямой привод (двигатель – механизм) и регулируемый привод на двигателях постоянного тока стали неэффективны. Их место занимают приводы с частотным регулированием.

Потенциал энергосбережения в электроприводе

Структура потребления электроэнергии

Цифры говорят сами за себя. Если мы хотим реально экономить энергию, нужно начинать с электроприводов.

Эволюция технологий

Совершенствование элементной базы привело к кардинальным изменениям:

• ✗ Устарели прямые приводы
• ✗ Потеряли эффективность приводы постоянного тока
• ✓ На смену пришли частотно-регулируемые приводы (ЧРП)

Прогресс не остановить.

Принцип работы частотного регулирования

Суть технологии

Наиболее перспективным на сегодняшний день является частотное регулирование электропривода (ЧРП).

Суть его в том, что для специально адаптированного асинхронного электродвигателя исключается редуктор, а устанавливается регулятор частоты, позволяющий управлять работой электрической машины в зависимости от условий эксплуатации.

Эффект достигается путем изменения частоты и амплитуды трехфазного напряжения, поступающего на электродвигатель.

Гибкое управление скоростью

Таким образом, меняя параметры питающего напряжения (частотное управление), можно делать скорость вращения двигателя:

1. Ниже номинальной — для экономии энергии
2. Выше номинальной — для повышения производительности

При этом управление электродвигателем осуществляется по определенному параметру работы агрегата.

Рис. 1. Принцип работы системы частотного регулирования электропривода

Практическое применение ЧРП

Улучшение качества работы агрегатов

Основной эффект ЧРП не только в экономии электроэнергии, а в улучшении показателей качества работы агрегатов.

Для металлообрабатывающих станков:

• ✓ Частотное регулирование по силе резания
• ✓ Регулирование по показателям вибраций
• ✓ Улучшение качества поверхности получаемой заготовки

Насосные станции

Для насосных станций, когда регулирование производится по давлению в трубопроводе:

Насосные агрегаты выбираются исходя из расчетных характеристик (как правило, с запасом по производительности) и функционируют с постоянной частотой вращения, без учета изменяющихся расходов, вызванных переменным водопотреблением.

Насосы продолжают работу с постоянной частотой вращения, создавая избыточное давление в сети (причина аварий). При этом бесполезно расходуется значительное количество электроэнергии.

Так происходит в ночное время суток, когда потребление воды падает.

Рис. 2. Система ЧРП в насосной станции с регулированием по давлению

Основной эффект для ЖКХ

Основной эффект достигается не за счет экономии электроэнергии, а благодаря существенному уменьшению расходов на ремонт водопроводных сетей.

Меньше давление — меньше аварий. Логично?

Экономическая эффективность внедрения

Технические параметры

На сегодняшний день ЧРП применяется для электродвигателей:

Срок окупаемости

По имеющимся данным, срок окупаемости проекта по внедрению преобразователей частоты с указанными параметрами для объектов ЖКХ составляет от 3 месяцев до 2 лет.

От 3 месяцев! Это очень быстро.

Статистика внедрения

По данным концерна «Русэлпром», на сегодняшний день в России около 20% насосных агрегатов, ориентированных на водоснабжение, представляют собой асинхронные двигатели с частотным регулированием.

Это убедительная демонстрация возможностей новой техники.

Более того, применение ЧРП для водоканалов стало стандартным решением.

Преимущества частотно-регулируемого привода

Функциональные возможности

Сегодня ЧРП асинхронных двигателей – самый распространенный способ регулирования.

Диагностика состояния привода, управление цифровыми и аналоговыми сигналами, простое и удобное программирование работы, простая связь нескольких приводов, взаимодействующих в технологическом процессе – вот неполный перечень пользовательских качеств такого электропривода.

Области применения

ЧРП применяются в:

Ключевые преимущества

Преимущества применения ЧРП:

1. Улучшение качества работы агрегатов
2. Высокая точность регулирования
3. Экономия электроэнергии в случае переменной нагрузки (то есть работы электродвигателя с неполной нагрузкой)
4. Равный максимальному пусковой момент
5. Возможность удаленной диагностики привода
6. Учет моточасов
7. Диагностика неисправностей
8. Повышенный ресурс оборудования
9. Уменьшение гидравлического сопротивления трубопровода из-за отсутствия регулирующего клапана
10. Плавный пуск двигателя, что значительно уменьшает его износ
11. Управляемое торможение и автоматический перезапуск при пропадании сетевого напряжения
12. Стабилизация скорости вращения при изменении нагрузки
13. Значительное снижение акустического шума электродвигателя (при использовании функции «Мягкая ШИМ»)
14. Дополнительная экономия электроэнергии от оптимизации возбуждения электродвигателя
15. Позволяют заменить собой автоматический выключатель

Впечатляющий список, не правда ли?

Недостатки и ограничения технологии

Технические ограничения

Недостатки применения ЧРП:

Проблема замены двигателей постоянного тока

На малых оборотах асинхронный двигатель имеет момент значительно меньше номинального в отличие от двигателя постоянного тока.

При замене двигателя постоянного тока необходимо понимать необходимые режимы работы двигателя – скорости вращения и момент на валу.

Как правило, при замене привода постоянного тока требуется асинхронный двигатель большей мощности.

Это важно учитывать при модернизации!

Устройства плавного пуска

Альтернатива ЧРП

В последние 10 лет наряду с преобразователями частоты в асинхронном электроприводе применяются «устройства плавного пуска», позволяющие контролировать пуск и останов привода за счет управления напряжением двигателя.

Принцип действия

Это позволяет:

• ✓ Снизить нагрузки на сеть при пуске мощного двигателя
• ✓ Обеспечить энергосбережение посредством снижения напряжения на недогруженном двигателе

Область применения

Эти устройства выпускаются многими зарубежными фирмами и оказываются весьма полезными, особенно для работы с мощными асинхронными двигателями, не нуждающимися в регулировании скорости, но имеющими шестисеми-кратные пусковые токи.

Рис. 3. Устройство плавного пуска для мощных асинхронных двигателей

Электропривод постоянного тока

Снижение доли рынка

Электропривод постоянного тока, который ранее был практически единственным регулируемым электроприводом, сейчас используется значительно реже.

По зарубежным оценкам, в настоящее время его доля составляет 7% от всех эксплуатируемых регулируемых электроприводов.

Области применения

Широкое применение приводы постоянного тока нашли в мощных тяговых электроприводах, где применение механической трансмиссии слишком дорого.

Примерами применения тяговых приводов постоянного тока, работающих по схеме дизель – синхронный генератор – двигатель постоянного тока, могут служить:

• ★ Самосвалы БелАЗ грузоподъемностью 220 и 110 т
• ★ Речные и морские дизель-электроходы

Кроме того, приводы постоянного тока активно применялись для станков, железнодорожных локомотивов и другого транспорта.

Конкуренция с асинхронными двигателями

Асинхронные двигатели, практически не уступая двигателям постоянного тока по возможностям регулирования частоты вращения:

1. Проще в изготовлении (отсутствие коллекторного узла)
2. Проще в эксплуатации
3. Часто имеют меньшие массу, размеры и стоимость

Именно эти отличительные свойства асинхронных двигателей определили их главенствующее использование в промышленном нерегулируемом электроприводе.

Производители

В настоящее время двигатели постоянного тока вытесняются асинхронными двигателями с преобразователями частоты, основными производителями которых являются:

Число выпускаемых двигателей постоянного тока составляет лишь 4–5% числа двигателей переменного тока.

Перспективы

Однако ориентированность ОАО РЖД, РУПП БелАЗ и других крупных потребителей на мощные приводы постоянного тока позволяет предположить существование таких приводов еще в течение 10–20 лет.

Основные производители приводов постоянного тока:

• ABB
• Control Techniques
• Siemens
• Sprint Electric

Тем не менее, для новой техники предусматривается возможность использования тяговых электроприводов на переменном токе с системами управления.

Сервоприводы и системы синхронизации

Решение задач точного позиционирования

Решение задач синхронизации и управления положением исполнительных органов стало возможным с применением сервоприводов – одной из разновидностей прямых приводов, работающих в системе и связанных через систему управления между собой в сеть.

Принцип работы

Преобразователь частоты сервопривода получает информацию от датчика обратной связи (энкодер) о положении и скорости ротора двигателя и выдает необходимые для нужного перемещения параметры на двигатель.

Рис. 4. Система сервопривода с обратной связью от энкодера

Лидеры рынка

Лидирующие позиции в производстве сервоприводов занимают такие компании как:

• ✔️ Control Techniques
• ✔️ Omron – Yaskawa
• ✔️ Siemens
• ✔️ SewEurodrive
• ✔️ «Рухсервомотор»

Перспективные технологии электропривода

Вентильно-индукторный электропривод

Ведутся работы по внедрению вентильно-индукторного электропривода.

Это силовая версия одного из типов хорошо известного шагового электропривода.

Принцип действия: ближайшие зубцы пассивного зубчатого ротора притягиваются к возбужденным в данный момент электромагнитам – зубцам статора.

Этот процесс непрерывно повторяется для других групп зубцов, что реализуется электронным коммутатором и удовлетворительно функционирует, как показывает опыт, лишь при очень тонком управлении ключами коммутатора.

Проблемы технологии

На машинах возникают:

• ✗ Вибрации
• ✗ Шумы
• ✗ Инерция регулирования

Вместе с тем, принципиальных преимуществ по сравнению с асинхронным приводом практически нет, и поэтому перспективы развития этого вида электропривода весьма туманны.

Тем не менее, работы в этом направлении ведутся. Одним из разработчиков такой техники в России является ООО «Центртехкомплект» г. Москва.

Синхронные двигатели на постоянных магнитах

Альтернативой регулируемому асинхронному приводу выступают синхронные двигатели на постоянных магнитах, предусматривающих регулирование количества оборотов.

Преимущества:

1. Меньшие габариты по сравнению с асинхронными двигателями
2. Больший КПД
3. Некоторый выигрыш по энергопотреблению

Недостаток: сложность ремонта не в заводских условиях.

Синхронный регулируемый привод применяется в некоторых исполнениях вместо гидроусилителя в рулевом механизме «Лады – Калины».

Будущее регулируемого электропривода

Прогноз на 10-15 лет

Очевидно, в будущем (примерно 10-15 лет) в России основным типом применяемого электродвигателя останется асинхронный двигатель.

Причем доля решений с частотным регулированием, устройствами плавного пуска и специальными системами управления работой привода будет увеличиваться пропорционально:

• ★ Удешевлению комплектующих для электронных устройств
• ★ Развитию частотного регулирования для высоковольных электрических машин

Поэтапное внедрение

В силу того, что стоимость устройства ЧРП значительна для мощных машин, ЧРП будут оснащаться вначале менее мощные машины с постепенным расширением для более мощных.

Развитие систем мониторинга

Кроме того, будут развиваться средства мониторинга работы электрических машин, безусловно, начиная от крупных, постепенно в направлении к менее мощным.

При этом следует отметить, что тенденция к снижению энергозатрат приведет к созданию более эффективных приводов с более высоким КПД и меньшими габаритами.

Устройства плавного пуска для мощных приводов

Мощные и трудно пускаемые электроприводы будут снабжаться устройствами плавного пуска, осуществляющими, кроме того, функцию:

1. Энергосбережения при недогрузке двигателя
2. Защиты от превышения напряжения
3. Симметрирования фаз
4. И других защитных функций

Системы контроля температуры

Уже сегодня многие потребители настаивают на оснащении даже маломощных электрических машин датчиками контроля температуры:

• ☑️ Подшипников
• ☑️ Статора
• ☑️ Других критических узлов

Предполагается, что в дальнейшем небольшие электрические машины будут оснащаться электронными блоками управления, функции которых будут направлены на предотвращение аварийных ситуаций.

Тяговый электропривод и рекуперация

Рис. 5. Система рекуперативного торможения в тяговом электроприводе

Тяговый электропривод характеризуется задачами замедления и торможения устройства.

Классическим решением такой задачи является система привода с асинхронным двигателем с преобразователем частоты, оснащенным тормозным переключателем с тормозным резистором.

При этом в режиме замедления/торможения электродвигатель работает как генератор, преобразуя механическую энергию в электрическую, которая в итоге рассеивается на тормозном резисторе.

Типичные установки

Типичными установками, в которых циклы разгона чередуются с циклами замедления, являются:

• ✗ Тяговый привод электротранспорта
• ✗ Подъемники
• ✗ Лифты
• ✗ Центрифуги
• ✗ Намоточные машины

Рекуперация энергии

Функция электрического торможения вначале появилась на приводе постоянного тока (например, троллейбус, электропоезд серии Эр2).

В конце ХХ века появились преобразователи частоты со встроенным рекуператором, которые позволяют возвращать энергию, полученную от двигателя, работающего в режиме торможения, обратно в сеть.

В последнее время появилась информация о создании сети в карьерах и оборудовании большегрузных карьерных самосвалов троллеями.

Тем не менее, привод постоянного тока продолжает использоваться, особенно для мощных механизмов 1–2 МВт.

Сравнение типов приводов

Заключение

Электрические приводы, по сравнению с механическими и гидравлическими, для механизмов небольшой мощности хорошо управляются и регулируются.

При этом части механических и гидравлических приводов изнашиваются со временем. Количество изнашивающихся частей в регулируемом электроприводе значительно меньше, этим объясняется тенденция к частичной замене механической трансмиссии на электропривод.

Рис. 6. Современная система регулируемого электропривода с функциями мониторинга

Будущее за частотным регулированием, системами мониторинга и интеллектуального управления. Это факт.

Остается только успеть за прогрессом.

К.Л. Разумов-Раздолов
ООО «Русэлпром»
email: rrkl@ruselprom.ru