Шляхи реалізації енергозбереження засобами промислового електроприводу

ПЕРШИЙ ШЛЯХ відноситься до найпростішого некерованого самого масового електропривода й полягає в удосконалюванні процедури вибору двигуна для конкретної технологічної установки з метою дотримання номінального теплового режиму двигуна при експлуатації.

Постановка завдання очевидна – двигун заниженої потужності швидко виходить із ладу, а двигун завищеної потужності перетворює енергію неефективно, тобто з високими питомими втратами в самому двигуні (низький ККД) і в лініях, що підводять (низький cosj). Розв'язати завдання не завжди елементарно, часті помилки, а тому що найпростіших електроприводів мільйони, те можливий великий збиток. У випадках, коли навантаження незмінне, помилки викликані лише низькою кваліфікацією розроблювачів (двигун вибирали по діаметру вала). Коли навантаження міняється, вибір виявляється значно складніше, що ще збільшується недостатністю вихідної інформації, паспортних і каталожних даних.

В основі взаємин між енергопостачальною організацією й підприємством перебувають установлювані, з обліком тих або інших факторів тарифи на електроенергію. Недосконалість тарифу очевидно, тому що він не враховує якість споживаної енергії й вплив цього параметра на характеристики електроустаткування.

Мінімальні витрати енергії можливі при різному ступені аварійності електроустаткування, що представляє собою досить складну функціональну залежність від стану встаткування, рівня його обслуговування, стану енергетичного господарства в цілому, включаючи й характеристики електроенергії. Загальні витрати включають не тільки плату за електроенергію, перетворену тим або іншим способом у корисний продукт, але й витрати на ремонт і обслуговування електроустаткування. Із цієї причини доцільніше розглядати показник, який дорівнює сумі безпосередніх платежів за електроенергію й витрат на відновлення електроустаткування

З = З ₁ + З ₂,

де З ₁ – витрати на електроенергію, певні по триставочному або зонному тарифу; З ₂ – вартість ремонтів, відновлення електроустаткування.

Останній показник досить високий і в основному показує стан енергогосподарства: при задовільному - витрати на ремонт мінімальні, при незадовільному – порівнянні із платежами по основних статтях.

Відомо, що в окремих підгалузях промисловості аварійність електродвигунів коливається від 20 до 60 – 70 % у рік, причому зазначені показники відрізняються навіть у випадку однотипних підприємств або виробництв. Характерно, що при загальному спаді виробництва кількість аварійних виходів машин не зменшується, а росте.

З урахуванням недовантаження електричних машин у нормальному технологічному режимі на 20 – 25 % і зниженні продуктивності в 2,5 – 3 рази, витрати на ремонт двигунів (при наробітку на відмову 4000 година) впритул наближаються до вартості електроенергії, яку спожив би двигун за час експлуатації між двома ремонтами за умови, що ціна 1 кВт год перебуває на рівні 0,13-0,15 грн. З обліком транспортних і інших витрат, зв'язаних с аварійним виходом двигунів з ладу, питомі витрати на ремонт наближаються до відповідного до показника для нових заводських машин.

ДРУГИЙ ШЛЯХ підвищення економічності масового нерегульованого електропривода – перехід на енергозберігаючі двигуни й двигуни поліпшеної конструкції, спеціально призначені для роботи з регульованим електроприводом.

Рис. 1.8

В енергозберігаючих двигунах за рахунок збільшення маси активних матеріалів (заліза й міді) підвищені номінальні значення ККД і cos. Енергозберігаючі двигуни використовуються, наприклад, у США, і дають ефект при постійному навантаженні. Доцільність застосування енергозберігаючих двигунів повинна оцінюватися з урахуванням додаткових витрат, оскільки невелике (до 5%) підвищення номінальних ККД і cosдосягається за рахунок збільшення маси заліза на 30-35%, міді на 20-25%, алюмінію на 10-15%.

Орієнтовні залежності ККД і cosвід номінальної потужності для звичайних і енергозберігаючих двигунів фірми Гоулд наведені на мал. 1.8.

Очікується зміна методик проектування двигунів, що відповідають їхньому застосуванню в складі саме регульованого електропривода. Насамперед це стосується асинхронного двигуна, для якого відмова від традиційних вимог фіксованих амплітуди й частоти живильної мережі, прямого включення в живильну мережу, забезпечення заданої перевантажувальної здатності приводить до істотної зміни конструкції й різкому поліпшенню характеристик. Можна відзначити випуск серії асинхронних двигунів, спроектованих фірмою Siemens для загальнопромислових електроприводів. Змінюється методика проектування й інших типів двигунів, розширюється їхня номенклатура. Очевидно, слід очікувати різкого, підривного поліпшення характеристик по-новому спроектованих двигунів для регульованого електропривода коректування, що й відповідає, вимог до систем керування. Так прогнозується ріст частоти живлення двигунів у регульованому електроприводі до 500-1000 Гц і вище й зниження індуктивностей обмоток.

Рис. 1.9

Спостерігається ріст випуску електропривода з синхронними двигунами із збудженням від постійних магнітів (так званий безконтактний вентильний двигун (ВД) постійного струму). Ці двигуни мають найкращі масо-габаритні показники. Серед інших типів двигунів виділимо індукторний двигун (Switch Reluctance Motor), разроблений і активно пропонується в останні роки. Як стверджують розробники, його характеристики поліпшені, що в комбінації з спрощеними силовими перетворювачами дозволяє сподіватися на його масове використання.

Перспективним є також синхронно-реактивний двигун, який за прогнозами має масогабаритні показниками, що лежать у проміжку між відповідними рекордними значеннями синхронного двигуна й асинхронного двигуна, а по енергетичній ефективності, можливо, перевершує їх, причому при більш низькій вартості. Реактивні вентильні двигуни спрощують схеми комутаторів і якірних обмоток. При оптимізації кута випередження інвертора можна добитися збільшення моменту й ККД привода. Існує оптимальний кут випередження залежно від частоти обертання. Збільшення ККД досягається також за рахунок відповідного укорочування кроку обмотки.

На мал.1.9 зображені максимальні потужності електричних машин (1- синхронних з надпровідною обмоткою й з пуском за схемою ВД; 2- синхронних з асинхронним пуском; 3-постійного струму.).

Для найкращого використання синхронного двигуна традиційної конструкції необхідно зменшити надперехідні реактивні опори (за рахунок відкритих пазів статора, збільшення повітряного зазору, демпферної обмотки на роторі й ін.) і реакцію якоря (за рахунок збільшення повітряного зазору й вибором коефіцієнта полюсного перекриття).

Можна також відзначити, що Першотравневим заводом у Донбасі налагоджений випуск низьковольтних (380/660В) асинхронних короткозамкнених двигунів з підвищеним пусковим моментом (до 3...4 відн. од.). Такі двигуни ефективні в системах регульованого привода й мають практично у два рази менший пусковий струм і можуть бути також використані в умовах вугільних шахт (у вибухо-пожежонебнзпечних умовах).

ТРЕТІЙ ШЛЯХ полягає в усуненні проміжних передач.

Суть проблеми полягає в тому, що електрична енергія доступна на фіксованій частоті (50 Гц), а механічна енергія потрібно в широкому спектрі частот (швидкостей). Методи, розроблені багато років тому для розв'язку цієї проблеми, використовують дорогі системи генератор-двигун або механічні регулятори.

До складу узагальненої схеми електропривода входять - перетворювач або механічний регулятор (коробка швидкостей, муфта ковзання), муфта, редуктор і робочий орган, що є частиною робочої машини (мал. 1.10).

Рис. 1.10

Орієнтовні значення ККД елементів привода становлять:

· перетворювач - (менші значення для малих швидкостей обертання, більші для більш високих швидкостей);

· двигун -(менші значення для мікромашин, більші– для машин підвищеної потужності);

· механічний регулятор - ;

· муфта -;

· редуктор ;

· робочий механізм -(для приводного барабана стрічкового конвеєра).

Коефіцієнт корисної дії системи електропривода

,

де i- кількість сполучних муфт.

Підстановка у формулу усереднених значень КПД для привода з електродвигуном потужністю 10–100 кВт дає значення КПД у діапазоні =0,65–0,75. При цьому в середньому від семи до десяти відсотків потужності губиться в механічних передачах. Таким чином, усунення механічних передач приводить до істотного підвищення КПД системи (на 7-10%), що є однієї з основних тенденцій розвитку електропривода, а в перспективі – сполучення електродвигуна й робочого органа.

По способу передачі механічної енергії від вала двигуна до робочого механізму електропривод ділять на три групи:

· груповий (мал.1.11.а), у якім кілька робочих машин приводяться в рух через передачі одним двигуном (привод зернозбирального комбайна);

· одиночний (мал. 1.11.б), у якім кожний механізм приводиться в рух одним двигуном;

· багатодвигунний (мал. 1.11.в), у якім окремий механізм приводиться в рух декількома двигунами (приводний барабан конвеєра, барабан піднімальної машини, привод повороту потужного екскаватора).

Рис. 1.11

Впровадження одиночного привода крім зниження в кілька раз енергоємності виробництва за рахунок усунення безлічі проміжних передач і кращого використання встановленої потужності привода, дозволило багаторазово підвищити надійність виконання технологічних процесів, крім того, знизити виробничий травматизм, обумовлений наявністю великої кількості відкритих механічних передач. Також покращилися умови праці за рахунок усунення звукових ефектів, пов'язаних з роботою великої кількості ремінних і ланцюгових передач, різноманітних муфт, що обертаються валів довжиною до 20 м, зубчастих і черв'ячних передач і т.д.

Для продовження руху робочому механізму необхідно прикласти деякий момент при певній швидкості. При цьому потужність на валу складе

.

Рис. 1.12 показує розподіл енергії в одноруховому одношвидкісному приводі.

Рис. 1.12

Умови зміняються, якщо регулювати швидкість розглянутого встаткування, використовуючи редуктор фрикційного типу (муфта, ремінь, гідравлічне сполучення і т.д.). У цьому випадку момент на валу двигуна й робочого механізму однаковий, але швидкості різні (мал. 1.13). Таким чином, різниця потужностей перетворюється в тепло фрикційної передачі

.

Рис. 1.13

Інший приклад показаний на мал. 1.14. У якості привода насоса використовується двигун з постійною швидкістю. Потік рідини контролюється закриттям і відкриттям клапана. Крім випадку, коли клапан повністю відкритий, енергія губиться в клапані й насосі. Таким чином, регулювання дроселюванням неефективно.

Рис. 1.14

Практично немає втрат у випадку, коли керування здійснюється за допомогою механічних передач (мал. 1.15), тому що передача перетворить і момент, і швидкість. Їхній добуток залишається постійним. При гарнім обслуговуванні, передачі мають дуже мале тертя. Таким чином, потужності на вході й виході привода практично рівні. Однак передачі, що постійно перемикаються, непридатні для приводів з великою потужністю, вони дорогі й потребують частого обслуговування. Стаціонарні багаторівневі коробки передач, хоча й придатні для потужних приводів, мають усі вищезгадані недоліки.

Рис. 1.15

При виборі перспективних варіантів систем електроприводів слід ураховувати можливість використання багатодвигунного електропривода, який у цей час одержав широке поширення в промисловості. Його використання обумовлене наступними причинами:

· відсутністю приводного двигуна, редуктора або іншої механічної передачі необхідної потужності;

· бажанням підвищити швидкодія привода за рахунок зниження сумарного моменту інерції приводних двигунів;

· необхідністю забезпечення підвищеної надійності приводних пристроїв шляхом завищення встановленої потужності привода, тобто створення резерву на випадок виходу з ладу одного або декількох двигунів;

· бажанням створення більш сучасних машин і механізмів (наприклад, стрічкових конвеєрів із двома й більш приводними барабанами, установок із проміжними приводами й ін.);

· необхідністю економії електроенергії в механізмах з більшим діапазоном зміни навантаження (більш, ніж в 1,52 рази).

Застосування багатодвигунного привода в складних технологічних установках найчастіше дозволяє значно спростити й здешевити їх за рахунок усунення складних і дорогих механічних передач між різними виконавчими органами. При цьому з'являється також можливості підвищення продуктивності, економічності й поліпшення інших експлуатаційних характеристик.

ЧЕТВЕРТИЙ ШЛЯХ полягає в економії електроенергії робочими установками й механізмами за рахунок підвищення ефективності виконання технологічного процесу.

Промислові підприємства вимагають підвищення ефективності роботи технологічних установок і механізмів, особливо вугільні шахти, які є великими споживачами електричної енергії зі складним електроенергетичним господарством. Установлена потужність окремих електроприймачів шахт становить десятки тисяч кіловат при річному споживанні електроенергії в десятки й навіть сотні мільйонів кіловат – годин, одинична ж потужність окремих машин досягає декількох тисяч кіловатів.

Структура електроспоживання шахти (мал. 1.16) залежить від багатьох факторів, основними з яких є глибина шахти, водообільність, продуктивність і т.д. (ГОСТ 30356-96 "методи визначення норм витрати електроенергії гірськими підприємствами"). Тут: 1- видобувні ділянки – 5,26%; 2- підготовчі ділянки – 1,29%; 3- підземний транспорт – 5,60%; 4- кондиціювання повітря – 10,88%; 5- водовідлив – 14,28%; 6- підйом – 13,32%; 7- вентиляція 17,13%; 8- технологічний комплекс поверхні – 3,75%; 9- виробіток стисненого повітря – 2,46%; 10- інші електроприймачі – 20,58%; 11- освітлення – 0,69%; 12- втрати електроенергії – 4,76%.

Рис. 1.16

Економія електроенергії установками й механізмами за рахунок підвищення ефективності виконання технологічного процесу містить у собі наступні основні заходи:

· узгодження режимів роботи установки при зміні навантаження;

· підвищення ККД установки;

· регулювання продуктивності установки;

· виконання оптимальної циклограми й упорядкування графіка навантажень;

· забезпечення нормованого завантаження (для підйомних машин, конвеєрів і т.д.);

· контроль стану технологічної установки;

· застосування зроблених видів електропривода;

· організаційні заходи.

Особливості видобутку вугілля вимагають збільшення електроспоживания окремих електроприймачів. Так для водообільних шахт потрібна установка 10, а в деяких випадках і більше кількості насосів. Для шахт крутого падіння потрібна розгалужена мережа стисненого повітря з компресорним господарством у десятки тисяч кіловат. У глибоких шахтах потрібне збільшення потужності підйомної машини до 10 МВт. У таких умовах економія електроенергії в окремих споживачах і шахти в цілому може представляти значну величину, що в остаточному підсумку позначиться на зниженні собівартості добутого вугілля.

П'ЯТИЙ ШЛЯХ полягає у виборі раціональних режимів роботи й експлуатації електропривода. Сюди входять:

· вибір раціонального способу й діапазону регулювання швидкості електропривода залежно від технологічних умов роботи машин і механізмів;

· вибір раціонального способу регулювання швидкості залежно від характеру зміни навантаження;

· підвищення завантаження робочих машин;

· виключення режиму холостого ходу;

· зниження напруги на затискачах двигуна;

· мінімізація струму й втрат енергії АД при зміні навантаження;

· оптимізація динамічних режимів;

· використання синхронної машини як компенсатора реактивної потужності;

· використання акумуляторів енергії.

Необхідність вивчення технологічного режиму робочої машини є основою для можливого комплексу заходів, що забезпечують ефективність енергозбереження. При цьому мова може йти як про регулювання швидкості технологічного агрегату, так і про його керованість. Під терміном «керованість» розуміється можливість зміни параметрів технологічного режиму за рахунок інших методів впливу, у тому числі й найпростіших – періодичних пусків і зупинок.

Розглядаючи, наприклад, електропривод турбомеханізмів, можна відзначити, що можливі три принципово різні способи регулювання технологічного параметра:

· аеродинамічним шляхом, що полягають у впливі на характеристики проточної частини (дроселюванням або установкою кута атаки лопат напрямного апарата). Спосіб пов'язаний з істотним зниженням ККД;

· зміною швидкості обертання шляхом застосування регульованого електропривода. Це забезпечує практично незмінний високий ККД при істотному збільшенні капітальних витрат;

· шляхом включення й відключення декількох агрегатів у випадку, якщо працює група електроприводів.

Третій варіант регулювання має обмеження - по числу пусків нерегульованих електроприводів через небезпеку виходу з ладу електричних машин, з одного боку, і по числу пусків для технологічного механізму через екстремальні технологічні навантаження в агрегаті, що пускається, при прямому некерованому пуску, з іншої. Аналіз показує, що при плавному керованому пуску практично виконуються дві наведені умови. Стосовно до приводів змінного струму як варіант схеми керованого пуску може служити схема з тиристорним регулятором напруги (ТРН) у ланцюзі статора. Вартість таких пристроїв приблизно в п'ять раз нижче вартості систем частотно-регульованого електропривода. В окремих випадках застосування пускових систем підвищує час наробітку на відмову синхронних двигунів у кілька раз, робочих коліс відцентрового насоса на 15 - 75 % і ін.

Іноді пуски двигунів ускладнюються через високу концентрацію робочого тіла в робочій частині турбомеханізму (руда в млині, заклинювання коліс насосів і т.п.). У таких умовах навіть при повній напрузі живлення пусковий момент двигуна може бути менше моменту пуску механізму й звичайна схема ТРН для пуску таких технологічних машин не дає необхідного позитивного результату. У цьому випадку виправданий перевід ТРН у режим перетворювача частоти, тобто застосування так званого квазічастотного керування. Цей метод дає позитивний результат, тому що дозволяє здійснити передпускове прокручування агрегату при частотах 0 – 0,7 Гц. Застосування пускових пристроїв дозволяє розв'язати дві зв'язані один з одним завдання: забезпечити реальне енергозбереження засобами електропривода й зберегти працездатність механічного й електромеханічного встаткування.

Зниження продуктивності машин і установок приводить до зниження ресурсу працездатності по цілому числу факторів, так чи інакше пов'язаних з ростом числа пусків електричних двигунів (у тому числі й регульованих електроприводів). При цьому необхідно враховувати наступне:

· в умовах істотного зниження продуктивності агрегатів і процесів, відсутність можливості використання регульованого електропривода через його дорожнечу, істотним резервом економії електроенергії є періодичні відключення енергоємних споживачів. При цьому необхідно використовувати спеціалізоване енергозберігаюче встаткування – пускові системи, що забезпечують як безпосередню економію енергоресурсів, так і працездатність електричних машин;

· насиченість парку електричними машинами, що були в ремонті, свідомо визначає досить високі витрати на ремонт електроустаткування. При цьому висока аварійність електричних машин визначається не стільки низькою якістю ремонту, скільки зміною характеристик конструкційних матеріалів (насамперед електротехнічної сталі), ведучих до перерозподілу втрат у двигуні й зміні теплового балансу й зниженню реальної навантажувальної здатності;

· відхилення напруги живлення, у виді відсутності засобів його ефективного регулювання, приводять до росту споживаної реактивної потужності асинхронними двигунами, зниженню її генерування синхронними машинами, збільшенню втрат у сталі, підвищенню аварійності двигуна;

· будь-які форми неякісної живлячої напруги, неякісності споживання енергії споживачем через зміну його внутрішніх характеристик приводять не тільки до збільшення втрат, але й появі змінних складових електромагнітного моменту двигуна. Знакозмінні складові моменту є причиною високочастотних вібрацій усіх елементів конструкції, передчасного старіння ізоляції й підвищення аварійності електроустаткування.

Як правило, необхідність регулювання швидкості або моменту електроприводів виробничих механізмів диктується вимогами технологічного процесу. Наприклад, зниження швидкості ліфта необхідно для точного позиціонування кабіни перед зупинкою. Однак існує ряд механізмів безперервного транспорту для переміщення твердих, рідких і газоподібних продуктів (конвеєри, вентилятори, насоси) з нерегульованим асинхронним електроприводом, який приводить у рух робочі органи з постійною швидкістю незалежно від завантаження механізмів. При неповному навантаженні робота з постійною швидкістю характеризується підвищеною питомою витратою електроенергії в порівнянні з номінальним режимом.

Зниження швидкості механізмів безперервного транспорту при недовантаженні дозволяє виконати необхідну роботу з меншою питомою витратою електроенергії. У цьому випадку економічний ефект з'являється також за рахунок поліпшення експлуатаційних характеристик технологічного встаткування. Так, при зниженні швидкості зменшується зношування тягнучого органа транспортера, збільшується термін служби трубопроводів за рахунок зниження тиску і т.д. Ефект у сфері технології часто виявляється суттєво вище, ніж за рахунок економії електроенергії.

З іншого боку, висувається необґрунтоване бажання використовувати плавно регульовані системи привода з більшим діапазоном регулювання для цих установок. У той же час досить великий діапазон регулювання продуктивності для механізмів з вентиляторним характером навантаження можна одержати при діапазоні зміни швидкості, що не перевищують 20%.

У якості іншого прикладу можна привести ліфти в невисоких будинках (до 16-24 поверху), коли замість дорогої, складної й менш надійної плавно регульованої системи можна обійтися використанням двошвидкісного АД з короткозамкненим ротором і підвищеним пусковим моментом.

Такий привод дозволяє в кілька раз знизити робочу швидкість кабіни перед зупинкою, що зменшує зношування гальмового пристрою й збільшує саму точність зупинки. Пуск двошвидкісних двигунів – прямої на високу швидкість. Гальмування проводиться перемиканням напруги на обмотку малої швидкості. При цьому двигун переходить у режим генераторного гальмування й частота його обертання знижується в 3-4 рази. Зупинка двигуна здійснюється відключенням від мережі обмотки малої швидкості й накладенням механічного гальма.

Наступний напрямок енергозбереження ставиться до основних споживачам електричної енергії – електроприводам з нерегульованими АД, і полягає в створенні спеціальних схемних розв'язків, що забезпечують мінімізацію шкідливого впливу на енергетичні показники при відхиленні навантаження від номінального. Спеціальні регулятори електричної енергії (регулятори напруги), що включаються між мережею й статором двигуна, крім функцій енергозбереження виконують і інші (управляють режимами пуску й гальмування, регулюють швидкість і момент, здійснюють захист, діагностику і т.д.), тобто підвищують технічний рівень привода, збільшують його надійність.

При роботі АД має місце недовикористання встановленої потужності або необґрунтоване завищення їх потужності, а також недовантаження. При цьому знижується ККД і коефіцієнт потужності АД. Регулювання напруги на статорі АД при постійній частоті забезпечує найбільш економічний режим його роботи при зміні навантаження. При цьому мінімізується споживаний асинхронним двигуном струм і тим самим втрати електроенергії в ньому.

Регулювання напруги АД у функції струму знижує втрати електроенергії до 5%, що при широкім застосуванні асинхронного електропривода дозволяє одержати великий економічний ефект.

Проблема акумуляторів енергії для систем електропривода є досить важливою. Накопичувачі енергії з різними фізичними принципами її акумуляції перспективні насамперед для транспортних систем. Визначена перспектива в застосуванні накопичувачів – компенсаторів в електроприводах з різкозмінним навантаженням, як регульованих, так і нерегульованих. Нова елементна база й насамперед, малогабаритні ємнісні накопичувачі, роблять реальними передумови до створення принципово нових комплектних пристроїв для сучасного електропривода – накопичувально-компенсуючих пристроїв, з відповідними системами керування.

ШОСТИЙ ШЛЯХ полягає у виборі раціонального типу електропривода для конкретної технологічної установки й переході від нерегульованого електропривода до регульованого. Він припускає виконання наступних операцій:

· аналіз технологічного процесу, умов експлуатації й, у результаті, розробка технічних вимог до електропривода;

· вибір перспективних варіантів систем електроприводів, їх техніко-економічне порівняння й вибір раціонального типу електропривода;

· розрахунки системи електропривода, у тому числі встановленої потужності й розробка системи керування;

· розробка конструкторської документації.

Удосконалювання технологічних процесів і автоматизація виробництва пов’язані з застосуванням регульованого електропривода. Застосування регульованого електропривода сприяє розв'язку завдань по забезпеченню оптимальних режимів роботи механізмів, зниженню собівартості й підвищенню якості продукції, що випускається, росту продуктивності праці, підвищенню ефективності використання енергії, надійності й терміну служби встаткування.

Слід згадати, що асинхронні двигуни зі змінюваним опором у ланцюзі ротора (мал. 1.17) і двигуни постійного струму незалежного збудження з регульованим реостатом (мал.1.18), управляються збільшенням втрат.

Рис. 1.17

Рис. 1.18

З погляду енергозбереження найбільш ефективні регульовані електроприводи змінного струму, особливо для турбомеханізмів (вентиляторів, компресорів, насосів), підйомних машин, верстатів зі ЧПУ й ін. Економія електроенергії може становити до 50%.

Цілий ряд промислових механізмів (підйомно-транспортні механізми, механізми транспортно-складських і робототехнічних систем, ліфти і т.д.) працюють із частими включеннями, вимагаючи реалізації пуско-гальмівних режимів. Використання для керування такими механізмами відносно недорогих систем ТРН-АД дозволяє здійснювати режими плавного (м'якого) пуску й гальмування за рахунок формування необхідного тимчасового закону зміни напруги першої гармоніки при пуску або значення постійної напруги при динамічному гальмуванні. Це забезпечує істотне зниження пускових струмів, зменшення енергоспоживання на 3-6% (залежно від потужності двигуна й інтенсивності роботи), а також розв'язок ряду технологічних завдань (обмеження механічних ударів у кінематичних передачах, зниження прискорень і ривків, збільшення надійності й терміну служби встаткування).

Якщо по сукупності вимог для керування механізмом доцільно використовувати частотно-регульований електропривод, то реалізація режимів частотного пуску й гальмування дозволяє знизити втрати енергії в перехідних режимах у кілька раз у порівнянні з некерованими перехідними процесами. У цьому випадку, функціональна схема виглядає, як показано на мал. 1.19. На противагу мал. 1.12 видно, що двигун змінного струму живиться електроенергією зі змінюваною частотою від перетворювача частоти (ПЧ). Тому що швидкість двигуна буде відповідати частоті електричного струму мережі, то регулюючи частоту на виході перетворювача, одержимо зміну швидкості двигуна. Втрати енергії, які спостерігалися на мал. 1.13; 1.14; 1.17 і 1.18 зведені до нуля.

Рис. 1.19

Досить перспективні вентильні двигуни з постійними магнітами. Новим шляхом енергозбереження стає перевід двигунів на модульну конструкцію й оптимізацію режимів їх роботи на базі мікроконтролерів, що дозволить в 35 разів знизити втрати енергії, в 23 рази зменшити масу двигунів.

При переході від нерегульованого електропривода до регульованого слід пам'ятати, що:

· економія енергії часто досягається не за рахунок самого привода, а за рахунок того процесу, який привод обслуговує. При цьому економія може в багато разів перевершувати власне споживання електропривода;

· для одержання корисного енергетичного ефекту часто необхідне регулювання в дуже невеликих межах при обмежених вимогах до якості регулювання. Так, лише незначне регулювання швидкості насоса, що подає гарячу воду в будинок, забезпечує істотну економію дорогої гарячої води. Такий підхід дозволяє замість дорогих і складних перетворювачів частоти використовувати значно дешеві й надійні регулятори напруги, підведених до обмоток статорів асинхронних двигунів;

· у цей час намітилася тенденція заміни регульованого привода постійного струму на привод змінного струму. На сьогоднішній день частка регульованого привода змінного струму мала, однак вона постійно росте.

В областях промислового використання приводів постійного струму з'явився попит на більш надійні безколекторні машини, при експлуатації яких потрібно менше витрат. Назріла також необхідність у застосуванні безконтактних приводів змінного струму, що забезпечують підвищення ККД і енергетичних показників установки, її продуктивність і надійність. У таких великих машинах, як шахтні стаціонарні установки, для економічного регулювання продуктивності необхідний безконтактний привод.

У підйомних установках підвищення ККД, надійності, ресурсу працездатності й зменшення експлуатаційних витрат неможливо без заміни привода постійного струму на безредукторний безколекторний привод змінного струму з аналогічними регулювальними властивостями.

Економічна доцільність використання синхронних двигунів на потужних конвеєрах і технологічні вимоги обумовлюють необхідність застосування безколекторного або безконтактного регульованого привода змінного струму зі СД.

Утворені традиції застосування синхронних двигунів для потужних турбомеханізмів з метою підтримки високих загальношахтних енергетичних показників при мінімальних витратах і вимоги регулювання продуктивності зміною частоти обертання робочого колеса свідчить про актуальність використання регульованого безколекторного привода змінного струму зі СД.

Одним з найбільш перспективних і універсальних типів електроприводів із синхронними машинами є безколекторний або безконтактний вентильний двигун, у якому регулювання швидкості й моменту здійснюється вхідною напругою, струмом збудження й кутом випередження включення вентилів при самоуправлінні по частоті живлення. Він має регулювальні якості машин постійного струму й надійність систем змінного струму.

Для широкого впровадження регульованого електропривода необхідно розв'язати безліч завдань, у тому числі наступні:

· розробити спеціальні синхронні двигуни для застосування їх у системі вентильного двигуна (у тому числі індукторні);

· розробити спеціальні асинхронні двигуни з короткозамкненим ротором для застосування їх у системах частотно-регульованого електропривода;

· зменшити вплив вентильних перетворювачів на мережу;

· створити перетворювачі, форма струму й напруги яких наближалася б до синусоїдальної.

Істотне зниження енергоспоживання за рахунок широкого застосування регульованого електропривода в цей час важко реалізувати через обмеженість можливостей капіталовкладень із метою реконструкції електроприводів. Необхідно використовувати раціональний підхід, що поєднує можливості регульованого й нерегульованого, наприклад, керованого по пускові ефект, що забезпечує, досить близький до найбільш зроблених приводів. Слід ураховувати й рівень обслуговування електроустаткування, яке, як правило, не відповідає стандартам, властивим регульованим приводам з високими технічними характеристиками. У цьому зв'язку для одержання економічної ефективності при мінімальних витратах необхідно розробити наступні системи й заходи:

· системи полегшеного пуску синхронних двигунів електроприводів, що забезпечують економію електроенергії до 10 – 15 % і підвищення технічної надійності СД в 2-3 рази;

· системи плавного запуску групи потужних синхронних двигунів турбокомпресорів, насосів, вентиляторів за схемою ТРН-СД, що забезпечують підвищення надійності електричних машин, турбомеханізмів і зниження плати за електроенергію до 20%;

· пристрої й системи для керування рівнем живлячої напруги, що забезпечують істотне зниження енерговитрат і підвищення працездатності електроустаткування;

· формування технологічного завантаження електродвигунів відповідно до сертифікаційних параметрів, одержуваних у ході післяремонтних випробувань або при експлуатації;

· використання систем діагностики електроприводів, що базуються на енергетичних критеріях, що забезпечують визначення розподіл втрат і сертифікацію двигунів після їхнього ремонту на спеціалізованих підприємствах;

· формування графіків навантаження установок з потужними електроприводами, технологічними ємностями й ін.

Для приводів механізмів, що вимагають плавного пуску й незначного (до 10%) діапазону регулювання швидкості (насоси, вентилятори, компресори, конвеєри й ін.) застосовують тиристорні регулятори напруги. Завод ХЭМЗ виготовив і впровадив кілька таких систем у високовольтному виконанні (6кВ) для привода механізмів з вентиляторним характером навантаження. На Запорізькому електроапаратному заводі налагоджений випуск низьковольтних регуляторів напруги для керування двигунами потужністю до 100 кВт.

Аналіз режимів роботи регульованого й нерегульованого електропривода вказує на неоднозначність поняття ефективної роботи приводів змінного струму в області частот обертання, близьких до номінальної. Очевидно, що тут є певний діапазон швидкостей, де застосування нерегульованого електропривода більш раціонально. Це пояснюється тим, що будь-яка схема регульованого електропривода крім втрат енергії, що йдуть на її перетворення, приводить до додаткових втрат у самому двигуні й шкідливо впливає на живильну мережу й інші пристрої й системи. Під поняттям «шкідливо» розуміють насамперед додаткові втрати, електромагнітну несумісність і передчасне зношування електроізоляційних матеріалів.

Очевидна необхідність створення систем, які забезпечували б контроль зони економічної роботи (w_н - Dw₁ £ w £ w_н +Dw₂), а також значення швидкостей w_вг і w_нг, при яких робота привода неефективна через технічні й інші обмеження з одного боку, і небезпечна при перевищенні припустимої швидкості з іншої (мал.1.20).

Рис. 1.20

СЬОМИЙ ШЛЯХ полягає в поліпшенні якості електроенергії засобами силової перетворювальної техніки регульованого електропривода.

Регульований електропривод при роботі впливає на мережу електропостачання, що виражається в зниженні коефіцієнта потужності на вході перетворювача, коливаннях напруги в мережі й викривленні синусоїдальної форми напруги.

Зниження коефіцієнта потужності збільшує реактивну потужність системи електропостачання, що приводить до додаткових втрат напруги й енергії й вимагає збільшення пропускної здатності її елементів.

В електричних мережах підприємства із сучасним устаткуванням вентильні перетворювачі знаходять усе більш широке застосування, питому вагу нелінійних навантажень безупинно зростає. У цих умовах рівень вищих гармонік у кривих напруги мережі нерідко досягає 10-15%.

Несинусоїдальність напруги й струму обумовлює додаткові втрати й нагрівання, а також прискорене старіння ізоляції електродвигунів, трансформаторів і, крім того, негативно позначається на функціонуванні різних видів електроустаткування. Специфічний вплив на різні види електроустаткування, системи релейного захисту, автоматики, телемеханіки й зв'язку проявляється диференційоване й залежить від амплітудного спектра напруги (струму), параметрів електричних мереж і інших факторів. У загальному випадку відсутня залежність між енергією гармонійної перешкоди й ступенем впливу її на електричну мережу. Ця обставина обумовила широке застосування показника, що характеризує викривлення кривої напруги мережі на затискачах електроприймачів, який називають коефіцієнтом несинусоїдальності напруги, %

де U_n і U _н — напруга n-ї гармоніки й номінальна напруга мережі.

Відповідно до ГОСТ 13109-87 припустиме значення k _нс обмежується 5% з інтегральною ймовірністю 95%за час вимірів, зазначене в стандарті. Номер останньої з гармонік, що враховуються, не наведений. Він може бути визначений у конкретних випадках виходячи із загальноприйнятого в електротехніці 5%-вого рівня значимості результатів. Не враховуються в розрахунках k _нс гармоніки, зневага якими приводить до додаткової погрішності більше 5%.

У стандарті не вказуються припустимі значення k _нс, значення окремих гармонік напруги й струму у вузлах мережі; немає також вказівок щодо характеру частотної характеристики мережі. Вимоги ГОСТ 13109-87 ставляться до електричних мереж загального призначення; тому в деяких випадках може бути допущене k _нс>5%. Наприклад, на шинах перетворювачів прокатних станів припустиму несинусоїдальність напруги визначають виходячи з умов нормальної роботи перетворювачів при відсутності на їхніх шинах інших навантажень.

Остання обставина послужила причиною обмежень несинусоїдальністі напруги на більш високих щабляхнапруги деяких, що втримуються в стандартах, країн. Так, у Швеції для мереж 0,25—0,43 кВ припустимі значення k _нс відповідають 4%, для мереж 3,3-24 кВ – 3%, 36 – 72 кВ – 2%, вище 84 кВ – 1%. У Японії для мереж 11 – 66кВ і більш – відповідно 2 і 1%. У Європейському стандарті EN 50.006 припустимі значення гармонік напруги задаються на затискачах еталонних опорів, що рівносильне нормуванню гармонік струму.

Обмеження гармонік струму, що генеруються окремими нелінійними навантаженнями або проникаючих з розподільних мереж у мережі енергосистеми, у найбільшій мірі сприяє зменшенню впливу гармонійних перешкод на інші електроприймачі й електричні мережі. Так, у Франції й ФРН ці струми обмежуються 5% діючого значення всіх вищих гармонік струму, що генеруються нелінійними навантаженнями цеху або підприємства. У публікації 555-2 МЭК передбачене обмеження гармонік струму, створюваних побутовими електроприладами в низьковольтній системі електропостачання.

Створення й освоєння промисловістю високоефективних силових електронних приладів типу IGBT, GТО й ін. дозволило суттєво розширити функції силових електронних пристроїв, що викорустовуються для регулювання якості електроенергії. Розв'язок цих завдань став особливо актуальним у зв'язку з реалізацією програм енергозбереження. За останні роки в промислових країнах впроваджені стандарти із твердими вимогами до якості електроенергії.

Традиційно для регулювання якості електроенергії використовувалися тиристорні стабілізатори, компенсатори реактивної потужності й пасивні фільтри. Нова елементна база силової електроніки дозволяє створювати перетворювачі змінного/постійного струму, що працюють в 4-х квадрантах комплексної площини на стороні змінного струму з імпульсною модуляцією на підвищених частотах (Цей термін відповідає новому стандарту МЭК 60030551). Це дозволяє управляти потоками електроенергії в будь-якому напрямку за заданим законом.

На мал.1.21 представлений принцип роботи чотириквадрантного перетворювача (напруга має синусоїдальну форму, а струм – трапецієподібну, при цьому фазове зрушення відповідає квадранту площини на векторній діаграмі).

Рис. 1.21

При підключенні накопичувачів енергії до перетворювача з боку постійного струму стає можливим здійснювати обмін реактивною потужністю, що включає потужність вищих гармонік між мережею змінного струму й накопичувачем. Така схема лежить в основі більшості сучасних методів регулювання якості електроенергії.

При коливаннях напруги, особливо в малопотужні (невеликі струми короткого замикання) електросистемах, існує проблема їх компенсації, оскільки в цьому випадку потрібні високошвидкісні пристрої компенсації реактивної потужності.

У цьому випадку ефективний розв'язок проблеми може бути здійснене за допомогою нового покоління статичних тиристорних компенсаторів – Стк-Лайт, розроблених компанією «Асеа Браун Боверн» (АВВ).

Технологія компенсаторів Стк-Лайт використовує в принципі ту ж технологію перетворення сіткової напруги, яка вже багато років застосовується в електродвигунних установках. Причиною того, що дана технологія не була впроваджена в пристрої компенсації реактивної потужності раніше, був факт відсутності керуючих напівпровідникових пристроїв великої потужності.

Дата добавления: 2013-12-13