Vikupautomsk.ru

Выкуп Авто МСК
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Электронный журнал «Электрорешения»

Электронный журнал «Электрорешения»

В одном из совместных проектов компания Groschopp AG и рабочая группа инженеров из Университета Дюссельдорфа таким образом изменяли двигатели, что их энергоэффективность значительно возрастала без увеличения стоимости производства. Инженеры меняли конфигурации магнитных и электрических контуров.

Установки с хорошим энергетическим балансом, а значит, и высоким КПД, в современной литературе обычно описываются как экономически выгодные в первую очередь благодаря низкой стоимости жизненного цикла. Чем резче возрастает стоимость энергии, тем быстрее повышается стоимость дорогих машин. Способы повышения энергоэффективности двигателей, которые требуют повышения затрат на производство, состоят в увеличении эффективности работы электрической и магнитной систем мотора. Однако такие меры требуют дополнительных затрат материала. Замена алюминия на медь при изготовлении якоря также повышает расходы на приобретение материала и подразумевает использование других инструментов.

Таким образом, главная проблема повышения энергоэффективности заключается в стоимости производства, которая не должна возрастать из-за расходов на материалы. Однако специалисты нашли способ, как эта проблема может быть решена: на примере асинхронного двигателя IG 100 они расположили магнитный и электрический контуры в соответствии с новой научной концепцией.

Для асинхронного двигателя важны не только равномерное использование магнитных контуров, но и правильный выбор количества пазов ротора и статора. Дополнительные потери при начале работы машины могут быть снижены, если количество пазов ротора меньше количества пазов статора. Нечетное количество пазов ротора снижает провал в кривой вращающего момента при разгоне машины и может быть полезно при различных количествах пар полюсов. Однако необходимо учитывать магнитные шумы, особенно при большой длине конструкции. Исходный мотор имел 24 паза на статоре и 17 – на роторе, поэтому мог использоваться как двухполюсный или четырёхполюсный. С учетом неизменности количества материалов конфигурация обмотки была изменена – количество пазов ротора нового четерёхполюсного мотора стало 22, в то время как для двухполюсных моторов максимальное количество пазов составляет 18.

Оптимизация магнитных контуров

Оптимизация магнитных контуров была проведена успешно при сохранении наружного диаметра 100 мм благодаря использованию числового метода конечных элементов. На основе вычисленной конфигурации аналитическая программа быстро и точно вычисляет характеристики двигателя, осевые и радиальные силы и шумовые характеристики.

Высокая плотность потока в спинке сердечника двухполюсного двигателя обусловливает высокий ток намагничивания и дополнительные потери в сердечнике. Новая конфигурация позволяет увеличить площадь поперечного сечения спинки благодаря снижению диаметра ротора.

Неравномерное распределение плотности потока появляется в четырёхполюсных моторах при существующей конфигурации. В то время как в спинке статора имеются сравнительно малые плотности потока, зубцы насыщены магнитным полем довольно сильно. При увеличении диаметра ротора при приблизительно одинаковых пазах статора увеличиваются зубцы, и поперечное сечение спинки уменьшается. Результатом является равномерная нагрузка магнитного поля на электротехническую сталь.

С существующей конфигурацией двигателя в двухполюсном исполнении при длине сердечника 100 мм будет достигнута мощность 710 Вт при КПД 72,4%. Мощность и КПД при новой конфигурации возрастают до 740 Вт и 79% соответственно. Эти значения достигаются при снижении длины сердечника до 80 мм.

Это означает, что при выборе оптимального магнитного контура можно снизить потери приблизительно на 28%, одновременно снизив затраты на материалы путем уменьшения длины сердечника. При рассмотрении четырёхполюсных двигателей показатели могут быть оптимизированы приблизительно с таким же соотношением.

При анализе энергоэффективности необходимо учитывать, что оптимальный КПД асинхронных двигателей с каждым видом конфигурации обмотки может быть достигнут только при определенных производительности и напряжении на клеммах. При работе в системе с частотным преобразователем оптимальная конфигурация позволит еще больше экономить энергию. Усовершенствованная программа обработки информации компании Groschopp позволила получить точные данные. Асинхронные двигатели, работающие от сети, будут иметь оптимальный КПД только при адаптации обмотки мотора. Компания уже предлагает своим клиентам двигатели с нестандартной обмоткой – можно заказать даже небольшое количество двигателей по доступным ценам.

Хотите подписаться на статьи электронного журнала «Электрорешения»?

Как повысить КПД электродвигателя: выбираем оптимальное решение

Несмотря на высокую эффективность современных электромеханических преобразователей, в процессе их работы все же возникают потери магнитной, электрической и механической энергии, сопровождающиеся выделением тепла, усилением шума и вибрации. Это обусловлено трением элементов, перемагничиванием в магнитном поле сердечника якоря электродвигателя, скачками нагрузок… Можно ли минимизировать эти «утечки», повысив тем самым КПД, и если да, то как этого добиться? Об этом мы и поговорим в данной статье.

Современные подходы к повышению КПД асинхронных двигателей

Согласно общепринятой классификации электрические машины бывают синхронными — с одинаковой частотой вращения ротора и магнитного поля, и асинхронными — в которых магнитное поле вращается с более высокой скоростью, чем ротор. Электродвигатели последнего типа получили более широкое распространение: порядка 90% всех двигателей на планете являются асинхронными. Они применяются во всех отраслях промышленности, сельского хозяйства и сферы ЖКХ. Такая популярность объясняется тем, что данные механизмы просты в изготовлении, надежны, доступны по цене и не требуют больших эксплуатационных затрат. Кроме того, КПД асинхронного электродвигателя значительно выше, чем синхронного.

Но есть у подобной техники и существенные недостатки. В частности, высокий пусковой ток, недостаточный пусковой момент, несогласованность механического момента на валу привода с механической нагрузкой (что приводит к лавинообразному росту силы тока и избыточным механическим нагрузкам при запуске и снижению КПД в периоды пониженной нагрузки), невозможность точной регулировки скорости работы прибора и т.д. Все эти факторы приводят к тому, что эффективность работы механизма существенно снижается.

Для повышения эффективности работы электропривода необходимо обеспечивать его загрузку на уровне не менее 75%, увеличивать коэффициент мощности, регулировать напряжение и где возможно — частоту подаваемого тока. Реализация этих мер обеспечивается использованием специального оборудования, позволяющего повысить КПД электродвигателя. Однако не во всех случаях возможно или необходимо реализовать их все.

Такие приборы подразделяются на частотные преобразователи, которые изменяют скорость вращения двигателя путем изменения частоты питающего напряжения, а также устройства плавного пуска, ограничивающее скорость нарастания пускового тока и его максимальное значение. В этой статье мы сравним современные решения для повышения КПД двигателей с позиций эффективности работы и экономической целесообразности.

Частотные преобразователи для асинхронных двигателей

Одним из наиболее действенных средств повышения эффективности работы электродвигателя является частотный преобразователь, который трансформирует однофазное или трехфазное напряжение с частотой 50 Гц в напряжение с требуемой частотой (обычно от 1 Гц до 300–400 Гц, но иногда и до 3000 Гц) и амплитудой.

Принцип работы преобразователя частоты

«Частотник» (так в профессиональной среде называют преобразователь частоты) состоит из:

  1. Микропроцессора, обеспечивающего управление электронными ключами, а также контроль работы оборудования, его диагностику и защиту.
  2. Схем, функционирующих в режиме ключей и открывающих тиристоры или транзисторы. Несколько более эффективными считаются тиристорные преобразователи частоты, так как они могут работать с высокими напряжениями и токами и имеют КПД до 98%. Однако при не слишком больших мощностях это преимущество практически незаметно.

Существует два класса приборов в зависимости от устройства и принципов работы:

  1. С непосредственной связью.Такие преобразователи представляют собой выпрямители. Система осуществляет отпирание тиристоров и подключение обмотки к сети, в результате чего образуется выходное напряжение с частотой 0–30 Гц и ограниченным диапазоном управления скоростью вращения привода. Такие устройства не могут использоваться при оснащении мощного оборудования, регулирующего множество технологических параметров.
  2. С промежуточным звеном постоянного тока.В подобных аппаратах производится двойное преобразование энергии: входное напряжение выпрямляется, затем фильтруется и сглаживается, а потом при помощи инвертора снова трансформируется в напряжение с необходимой амплитудой и частотой. Подобное преобразование может несколько снижать КПД оборудования, но такие преобразователи частоты имеют широкое применение в силу того, что могут давать на выходе напряжение с высокой частотой.

Наибольшую популярность получили устройства второго типа, обеспечивающие плавную регулировку оборотов двигателей.

Читать еще:  Электрическая схема системы управления двигателем газ 3110
Возможности частотных преобразователей

Эффективность того или иного преобразователя во многом зависит от соответствия его функциональных возможностей целям использования. Так, для оснащения электроприводов насосов и вентиляторов используются преобразователи с невысокой перегрузочной способностью и зачастую с U/f-управлением, которые при необходимости могут повышать начальное значение выходного напряжения с целью увеличения момента двигателя на низких частотах.

Более совершенными являются устройства с векторным управлением, которые регулируют не только частоту и амплитуду выходного напряжения, но и фазы тока, протекающего через обмотки статора. Они устанавливаются на прокатные станы, конвейеры, подъемное, упаковочное оборудование и др.

Если необходимо выполнять контролируемое торможение двигателя, используется функция замедления, которая обеспечивают остановку механизма за счет изменения частоты до нужного уровня. Однако, если требуется интенсивное замедление, может понадобиться «частотник», оснащенный встроенными или внешними блоком торможения и тормозным резистором либо рекуперативным блоком торможения. В режиме динамического торможения двигатель переходит в генераторный режим и трансформирует механическую энергию в электрическую, которая возвращается в звено постоянного тока и либо рассеивается в виде тепла на сопротивлении тормозного резистора, либо возвращает энергию в сеть посредством рекуперации. Это решение актуально для станкового и конвейерного оборудования.

Частотный преобразователь с обратной связью позволяет поддерживать постоянную скорость вращения при переменной нагрузке с более высокой точностью, чем преобразователь без обратной связи, тем самым повышая качество технологического процесса в замкнутых системах. Такие устройства используются в робототехнике, дерево- и металлообработке, в системах высокоточного позиционирования.

Стоимость

В последнее время стоимость «частотников», как бы выразились финансисты, подвержена высокой волатильности — за год–полтора цены увеличились более чем в 2 раза, что объясняется колебаниями валютного курса. Частотные преобразователи российского и зарубежного производства мощностью порядка 90 кВт в январе-феврале 2017 года обходятся покупателям в 375–685 тысяч рублей.

Достоинства и недостатки

Таким образом, преобразователь частоты для асинхронного двигателя, принцип работы которого описан выше, обеспечивает снижение расхода электроэнергии, плавный запуск привода и высокую точность регулировки, увеличивает пусковой момент и стабилизирует скорость вращения при переменной нагрузке. Все это в совокупности позволяет повысить коэффициент полезного действия машины. К недостаткам «частотника» можно отнести его высокую стоимость, а также создание электромагнитных помех в процессе работы.

Устройства плавного пуска: контроллеры-оптимизаторы

Для обеспечения плавного запуска, разгона и остановки электродвигателя используются устройства плавного пуска (УПП). Эти приборы ограничивают скорость увеличения пускового тока в течение определенного времени.

Традиционные устройства плавного пуска не решают задачу повышения КПД. Кроме того, они могут применяться только для управления приводами с небольшой нагрузкой на валу. Однако сегодня существуют разновидности УПП, позволяющие повысить энергоэффективность двигателей путем согласования крутящего момента с моментом нагрузки и, как следствие, снижения потребления электроэнергии на минимальных нагрузках на 30–40% — это контроллеры-оптимизаторы. Последние предназначены для приводов, не нуждающихся в изменении числа оборотов двигателя.

Например, чтобы снизить энергопотребление эскалатора при помощи преобразователя частоты, потребовалось бы уменьшить его скорость, но это невозможно, потому что тогда подъем пассажиров потребует более продолжительного времени. А контроллеры-оптимизаторы позволяют снизить энергопотребление без изменения скорости электропривода в тех случаях, когда он недогружен.

Принцип работы

Контроллеры-оптимизаторы — это регуляторы напряжения питания электродвигателя, осуществляющие контроль за фазами тока и напряжения. Они обеспечивают полное управление приводом на всех этапах работы и защищают его от повышенного и пониженного напряжения, перегрузки, обрыва или нарушения чередования фаз и т.д. Контроллеры-оптимизаторы согласуют значение крутящего механического момента, развиваемого электродвигателем, со значением механического момента нагрузки на его валу за счет изменения напряжения питания двигателя. При этом скорость вращения ротора электродвигателя остается прежней, а коэффициент мощности повышается. Это оборудование является функционально законченным и не требует подключения дополнительных устройств.

При работе привода в режиме динамично меняющихся нагрузок контроллер обеспечивает прекращение отбора мощности из питающей сети в те моменты, когда полупроводниковые переходы тиристоров (управляемых диодов) закрыты, то есть не пропускают электрический ток. Тиристоры открываются при поступлении управляющих импульсов, задержка подачи которых определяется степенью загрузки привода, а закрываются при переходе тока через ноль.

Возможности

Контроллеры-оптимизаторы обеспечивают повышение КПД дробилок, вентиляторов, ленточных транспортеров, обрабатывающих станков, крутильных агрегатов, лебедок и другого оборудования, используемого в промышленности, сельском хозяйстве и сфере ЖКХ. В том числе эти устройства предотвращают перегрузки кронштейнов при запуске мешалок, нейтрализуют гидроудары в трубопроводах, обеспечивают плавный запуск тяжело и очень тяжело нагруженного оборудования, на что не способны обычные устройства плавного пуска, и др.

Стоимость

Контроллеры-оптимизаторы не только обеспечивают повышение КПД оборудования, но и более доступны по цене, чем частотные преобразователи. Так, средняя цена устройства отечественного производства мощностью около 90 кВт в первые месяцы 2017 года составила порядка 92–106 тысяч рублей.

Достоинства и недостатки

Контроллеры-оптимизаторы оперативно реагируют на изменение напряжения, снижают расходы электроэнергии на 30–40%, уменьшают влияние реактивной нагрузки на сеть, повышают КПД привода, позволяют сократить расходы на конденсаторные компенсирующие устройства, продлевают срок службы оборудования и повышают экологичность производства. Кроме того, они отличаются более доступной ценой, нежели преобразователи частоты. Единственным ограничением для применения контроллера является невозможность его использования в тех случаях, когда необходимо изменять скорость вращения электродвигателя.

Выбираем лучшее решение для повышения КПД

Выбор устройства для повышения КПД двигателя того или иного электропривода определяется особенностями работы оборудования. Так, если скорость привода нужно изменять, то единственно возможным решением является покупка преобразователя частоты. Если скорость вращения двигателя менять нельзя или это делать необязательно, то лучшим решением будет использование контроллеров-оптимизаторов, которые имеют более доступную стоимость, чем «частотники».

Эффективность и надежность электродвигателя: Новый подход к контролю соответствует реальным условиям работы

Электродвигатели являются важнейшим элементом многих промышленных процессов, они потребляют до 70 % от общего количества энергии на промышленном предприятии и до 46 % от общего количества производимого электричества в мире. Учитывая то, насколько большую роль электродвигатели играют в промышленных процессах, стоимость простоев, связанных с их неисправностью, может измеряться десятками тысяч долларов в час. Обеспечение эффективной и надежной работы электродвигателей — это одна из наиболее важных задач, которую ежедневно решают технические специалисты и инженеры по обслуживанию.

Эффективное использование электричества — это не просто «полезно». Во многих ситуациях от энергоэффективности зависит, прибыльной или убыточной является компания. Поскольку электродвигатели потребляют на промышленных объектах столь значительное количество энергии, эффективность их использования стала основным фактором, от которого зависит экономия и поддержание прибыльности. Кроме того, из-за желания обеспечить экономию посредством увеличения эффективности и снизить зависимость от природных ресурсов многие компании начинают следовать промышленным стандартам, таким как ИСО 50001. Стандарт ИСО 50001 устанавливает основные положения и требования для организации, внедрения и поддержания системы управления энергопотреблением, призванной обеспечить постоянную экономию.

Традиционные методы проверки электродвигателей

Традиционный метод проверки производительности и КПД электродвигателей тщательно разработан, но его организация может быть связана с большими расходами, а реализация в рамках рабочих процессов трудноосуществима. Часто для проверки производительности электродвигателя требуется даже полное отключение системы, что может привести к дорогостоящему простою. Чтобы определить КПД электродвигателя, необходимо измерить широкий диапазон динамических рабочих параметров — как для входной электрической мощности, так и для выходной механической мощности. Для измерения характеристик производительности электродвигателя традиционным методом сначала техническим специалистам необходимо установить электродвигатель на испытательный стенд. Испытательный стенд представляет собой проверяемый электродвигатель, закрепленный на генераторе или на динамометре.

Затем с помощью вала проверяемый электродвигатель соединяют с нагрузкой. На валу закреплен датчик скорости (тахометр), а также комплект датчиков крутящего момента, которые предоставляют данные, позволяющие рассчитывать механическую мощность. Система предоставляет различные данные, включая данные о скорости, крутящем моменте и механической мощности. Некоторые системы также позволяют измерять электрическую мощность, благодаря чему можно рассчитать КПД.

Читать еще:  В гибдд двигатель идет как запчасти

КПД вычисляется по формуле:

Механическая мощность
Электрическая мощность

Во время проверки нагрузка изменяется, что позволяет определять КПД для различных режимов работы. Система испытательного стенда может показаться достаточно простой, однако с ее использованием связано несколько характерных недостатков:

  1. Электродвигатель необходимо снять с места использования.
  2. Значения нагрузки электродвигателя не являются по-настоящему репрезентативными, поскольку не характеризуют производительность электродвигателя во время реальной работы.
  3. Во время проведения проверки работу необходимо приостановить (что создает простой), либо необходимо временно установить сменный электродвигатель.
  4. Датчики крутящего момента отличаются высокой стоимостью и ограниченным рабочим диапазоном, поэтому для проверки различных электродвигателей может потребоваться несколько датчиков.
  5. Испытательный стенд, на котором можно проверять широкий диапазон электродвигателей, имеет высокую стоимость. Такие испытательные стенды обычно используются специалистами по ремонту электродвигателей или исследовательскими организациями.
  6. Не учитываются «реальные» рабочие условия.

Параметры электродвигателей

Электродвигатели могут предназначаться для различных областей применения с различными нагрузками, поэтому характеристики каждого электродвигателя отличаются. Классификация характеристик осуществляется в соответствии со стандартами Национальной ассоциации производителей электрооборудования (NEMA) или Международной электротехнической комиссии (МЭК). От этих характеристик напрямую зависит работа и КПД электродвигателя. На каждом электродвигателе закреплена паспортная табличка, на которой указаны основные рабочие параметры и информация о КПД электродвигателя в соответствии с рекомендациями NEMA или МЭК. Указанные на паспортной табличке данные можно сравнивать с реальными характеристиками режима использования. Например, сравнивая эти значения, можно узнать, что электродвигатель превышает ожидаемые характеристики скорости или крутящего момента, что может привести к сокращению срока службы электродвигателя или к преждевременному выходу из строя. Негативно сказаться на характеристиках производительности электродвигателя могут также такие явления, как асимметрия напряжения или тока, а также гармоники, связанные с плохим качеством электроэнергии. При существовании какого-либо из этих условий необходимо снизить номинал электродвигателя (то есть ожидаемая производительность электродвигателя должна быть снижена), что может привести к нарушению выполняемых процессов, если не будет производиться достаточное количество механической мощности. Снижение номинала рассчитывается по стандарту NEMA в соответствии с данными, указанными для данного типа электродвигателя. Стандарты NEMA и МЭК некоторым образом отличаются друг от друга, но в целом они придерживаются одинаковых положений.

«Реальные» рабочие условия

При выполнении проверки электродвигателей на стенде электродвигатель обычно работает в самых лучших условиях. Однако во время реальной работы самые лучшие условия, как правило, не удается обеспечить. Непостоянство рабочих условий приводит к снижению производительности электродвигателя. Например, на промышленном предприятии могут быть нагрузки, оказывающие непосредственное влияние на качество электроэнергии и вызывающие асимметрию в системе или потенциально вызывающие гармоники. Каждое из этих условий может серьезно повлиять на производительность электродвигателя. Кроме того, нагрузка, приводимая в движение электродвигателем, может быть неоптимальной или может не соответствовать изначальному предназначению электродвигателя. Нагрузка может быть слишком большой для данного электродвигателя, или возможна перегрузка вследствие плохого управления процессами. Движению электродвигателя может также препятствовать чрезмерное трение, вызванное наличием какого-либо постороннего предмета, блокирующего работу насоса или рабочего колеса вентилятора. Обнаружение этих аномалий может быть затруднено и может потребовать много времени, вследствие чего эффективный поиск неисправностей будет проблематичным.

Новый подход

Анализатор качества электроэнергии и работы электродвигателей Fluke 438-II обеспечивает модернизированный и экономичный способ проверки КПД электродвигателя, при этом отсутствует необходимость в установке внешних механических датчиков и в дорогостоящих простоях. Прибор Fluke 438-II, созданный на основе анализаторов качества электроэнергии Fluke серии 430-II, оснащен полным набором функций для анализа качества электроэнергии, а также для измерения механических параметров на электродвигателях прямого пуска. 438-II использует данные, указанные на паспортной табличке электродвигателя (NEMA или МЭК) вместе с данными измерений трехфазного питания, чтобы в режиме реального времени рассчитывать параметры производительности электродвигателя, включая скорость, крутящий момент, механическую мощность и КПД, при этом использование дополнительных датчиков крутящего момента и частоты вращения не требуется. Кроме того, 438-II непосредственно вычисляет коэффициент снижения мощности электродвигателя в режиме работы.

Чтобы прибор Fluke 438-II выполнил эти измерения, технический специалист или инженер должен ввести следующие данные: номинальную мощность в кВт или л. с., номинальное напряжение и силу тока, номинальную частоту, номинальный cos φ или коэффициент мощности, номинальный сервис-фактор, а также тип электродвигателя в соответствии с классификацией NEMA или МЭК.

Принцип работы

Fluke 438-II выполняет механические измерения параметров (скорости вращения электродвигателя, нагрузки, крутящего момента и КПД), применяя уникальные алгоритмы к электрическим сигналам. Эти алгоритмы основаны на сочетании физических и управляемых данными моделей асинхронного электродвигателя. При этом не требуются предварительные проверки, которые обычно нужны для измерения параметров электродвигателя (например, сопротивление статора). Скорость электродвигателя можно рассчитать на основе гармоник пазов ротора, присутствующих в сигналах тока. Крутящий момент вала электродвигателя можно связать со значениями напряжения, силы тока и скольжения асинхронного электродвигателя, используя хорошо известные, но сложные физические формулы. Электрическая мощность измеряется с использованием входных сигналов силы тока и напряжения. При получении расчетного значения крутящего момента и скорости, механическая мощность (или нагрузка) вычисляется на основе крутящего момента, умноженного на частоту вращения. КПД электродвигателя вычисляется путем деления рассчитанной механической мощности на измеренную электрическую мощность. Компания Fluke провела обширные испытания на электродвигателях, приводящих в движение динамометры. Были измерены значения фактической электрической мощности, крутящего момента вала электродвигателя, а также скорости электродвигателя. Эти значения сравнивались со значениями, полученными с прибора 438-II для определения погрешности.

Сводный обзор

Традиционные методы проверки производительности и КПД электродвигателей тщательно разработаны, однако это не означает, что они широко используются. В значительной степени это объясняется тем, что отключение электродвигателей, а иногда и целых систем, для выполнения проверок приводит к простою производства, а это связано с большими расходами. Прибор Fluke 438-II предоставляет чрезвычайно полезную информацию, которую до этого было крайне сложно и дорого получить. Кроме того, наличие на приборе Fluke 438-II передовых функций по анализу качества электроэнергии позволяет измерять качество электроэнергии непосредственно во время работы системы. Выполнение важных измерений для определения КПД электродвигателя стало проще, поскольку использование отдельных внешних датчиков крутящего момента и скорости не требуется, благодаря чему можно анализировать производительность самых распространенных промышленных процессов, использующих электродвигатель, не прерывая их выполнения. Это позволяет техническим специалистам сокращать время простоя и отслеживать тенденции производительности электродвигателя во времени, благодаря чему можно получить более полную картину общего состояния системы и ее производительности. Отслеживание тенденций производительности позволяет увидеть изменения, которые могут указывать на приближающийся отказ электродвигателя. Благодаря этой информации можно выполнить замену до того, как электродвигатель выйдет из строя.

Энергетические обследования.
Способ снизить потребление энергии

Рис. 1. Двигатели промышленного назначения от АББ

Внедрение энергоэффективного оборудования на промышленных предприятиях повышает эффективность и конкурентоспособность российского производства, а также снижает негативное воздействие на окружающую среду. Высокотехнологичные разработки АББ, такие как двигатели с высоким классом энергоэффективности, устройства плавного пуска и преобразователи частоты, сокращают потребление энергии и повышают срок службы оборудования (рис. 1). Около 70% всей электрической мощности в промышленности используется миллионами электрических двигателей, 75% из которых управляют центробежными механизмами. Для компании АББ это означает огромный потенциал по снижению энергопотребления при замене оборудования на энергоэффективное и оптимизации способа управления электродвигателями.

Выбросы углекислого газа — важный показатель, на который в РФ на данный момент мало кто обращает внимание. Однако следует отметить, что именно этот показатель определяет экологичное производство, или, другими словами, его влияние на окружающую среду. Чем ниже выбросы CO2, тем меньше углеводородов потребуется для производства электроэнергии.

Снижение выбросов СО2 и более эффективное использование энергии

На данный момент 63% энергии генерируется тепловыми и газовыми электростанциями. Это означает постоянное сжигание угля или газа. В результате такого процесса в атмосферу выбрасывается значительное количество углекислого газа и метана. Первый шаг от «угольной» и «газовой» энергии к увеличению доли «зеленой» энергии — начать использовать и производить энергию более эффективно.

Читать еще:  Что означает значок неисправности двигателя

Потенциал экономии электроэнергии существенен в таких отраслях, как водоснабжение и водоотведение, теплоэнергетика, в различных областях пищевой промышленности, на нефтеперерабатывающих заводах и при добыче нефти. Повсюду огромную роль играют центробежные механизмы — насосы, вентиляторы, компрессоры, воздуходувки. Принцип работы таких механизмов позволяет получить существенную экономию энергии при изменении скорости двигателя в некотором диапазоне. Наибольшего эффекта можно добиться при оптимизации работы мощных центробежных механизмов, функционирующих в течение большей части года. Применение частотного регулирования позволяет сократить потребление энергии на 30–50%. Для центробежных механизмов применимы так называемые законы подобия. В соответствии с данными законами, между скоростью и потребляемой мощностью существует кубическая зависимость, то есть при снижении номинальной скорости на 50% энергии требуется только 12,5%.

Оценить эффект от применения частотного регулирования можно на примере одного двигателя мощностью 55 кВт. При номинальной мощности 55 кВт и непрерывной работе на протяжении одного года двигатель потребляет 403 200 кВт·ч. Частотное регулирование позволяет снизить этот показатель в среднем на 40%, что составляет 161 280 кВт·ч. Таким образом, при средней стоимости электроэнергии 3 руб/кВт·ч расходы на электроэнергию в год сократятся на 483 840 рублей, а выбросы СО2 снизятся на 80 640 кг.

Кроме того, следует не забывать о таком понятии, как жизненный цикл изделия, и именно по стоимости этого цикла оценивать целесообразность приобретения оборудования. Около 90% стоимости жизненного цикла двигателя составляют затраты на электроэнергию и только 10% — его приобретение, установка и обслуживание. Другими словами, если предприятие задумывается о замене двигателя, который будет работать непрерывно в течение 20–25 лет как минимум, следует предварительно оценить выгоду в экономии электроэнергии от двигателя с высоким классом энергоэффективности, или высоким КПД, по сравнению с более дешевым, но менее энергоэффективным двигателем.

Промышленные предприятия могут самостоятельно оценить потенциал энергосбережения, воспользовавшись программами компании АББ — Motor Optimizer и «Калькулятором экономии энергии».

Снижение потребления энергии и оптимизация системы управления двигателем

Энергетическое обследование является бесплатной услугой и позволяет оценить потенциал экономии энергии на предприятии при замене устаревших двигателей и модернизации системы управления.

Цели энергетического обследования:

  • возможность минимизации энерго­потребления предприятия;
  • выявление оборудования, нуждающегося в модернизации;
  • оптимизация способов управления механизмами с электрическими двигателями;
  • оптимизация работы установленных частотных преобразователей.

Основные объекты энергетического обследования:

  • насосные системы, системы промышленной вентиляции и охлаждения, тягодутьевые механизмы, системы сжатого воздуха и воздуходувные установки, системы ОВиК;
  • электрические двигатели, работающие с мощностью менее 50% от номинальной и/или имеющие более 20% времени эксплуатации в год.

После проведенного обследования предоставляется отчет с рекомендациями по необходимой замене оборудования, сроками окупаемости, требуемыми начальными инвестициями и потенциалом энергосбережения при оптимизации системы управления как каждого технологического процесса, так и всего предприятия. Важным показателем при расчете срока окупаемости оборудования является такой показатель, как чистая приведенная стоимость. Чистая приведенная стоимость рассчитывается за период более 10 лет с учетом ежегодного уровня инфляции. В расчетах компании АББ принимается, что счета за электроэнергию оплачиваются в конце каждого года.

Следует отметить, что энергетические обследования проводятся при непосредственном участии инженерных и энергетических служб предприятия.

Для примера рассмотрим замену двухскоростного двигателя на вентиляторе в цехе производства аммиака нефтехимического предприятия России.

Тип установленного электродвигателя — двухскоростной двигатель 5АМ250 М8/4 У3:

  • мощность — 37/55 кВт;
  • напряжение двигателя — 0,4 кВ;
  • ток статора электродвигателя — 82,1/102 А;
  • частота вращения двигателя — 1500 об/мин;
  • КПД — 91%.

Режим работы установки:

  • число часов работы в году — 8 760 ч;
  • типовой цикл работы — ПИД-регулирование.

Компанией АББ предлагается замена двухскоростного управления на частотное, при этом обмотки двигателя для регулирования скорости не используются.

Необходимо обратить внимание, что при расчете потенциала экономии энергии компания АББ использует эмпирические поправочные коэффициенты, полученные при тестировании различных режимов работы воздуходувного механизма. Эти коэффициенты являются интеллектуальной собственностью АББ и с целью сохранения авторских прав в расчете ниже приведены частично.

Номинальный расход вентилятора рассчитывается на основе коэффициента сжимаемости и мощности двигателя. Плотность газа зависит от температуры в помещении и влияет на требуемую мощность двигателя.

где абсолютное статическое давление во всасывающей секции pta = 101 300 Па при 0 °C.

Таким образом, получаем номинальный расход вентилятора:

Следующий шаг — расчет мощности при заданном типовом цикле работе, в данном случае замене двухскоростного управления на ПИД-регулирование. Оборудование функционирует непрерывно на протяжении всего года. При ПИД-регулировании требуется учитывать изменение мощности при снижении загрузки ниже 100%.

Мощность при использовании частотного регулирования, номинальный расход 100%:

Мощность при использовании двухскоростного двигателя, номинальный расход 100%:

Мощность при использовании двухскоростного двигателя, 50% от номинального расхода, пониженная скорость:

Рассчитаем энергию, потребляемую центробежным механизмом за год.

При частотном регулировании:

При двухскоростном двигателе:

Теперь рассчитаем экономию энергии и срок окупаемости оборудования.

Стоимость электроэнергии за год при использовании частотного регулирования:

где EP — стоимость электроэнергии (руб.).

Стоимость электроэнергии за год при использовании управления двухскоростным двигателем:

Экономия на стоимости электроэнергии:

DEC = ECNOVSDECVSD = 397 655 — 24 579 = 373 076 руб. (табл. 1).

Таблица 1. Экономия на стоимости электроэнергии и снижение СО2 за счет установки привода

В годЗа 10 лет
Экономия энергии, МВт124,31 243
Снижение СО2, т186 5381 865 380
Экономия, руб.373 0763 730 760

Рис. 2. Расчетная нагрузочная диаграмма

Инвестиции на установку частотного преобразователя составят 195 000 руб., таким образом срок окупаемости:

Payback time = 195 000/DEC = 6 месяцев.

Замена двигателя в данном случае нецелесообразна с точки зрения снижения потребления электроэнергии, поскольку КПД установленного электродвигателя составляет 91%.

Кроме того, предполагается изменение рабочей скорости двигателя в некотором диапазоне при неполной нагрузке на валу. Следовательно, реальный КПД двигателя будет значительно ниже.

Расчетная нагрузочная диаграмма приведена на рис. 2, описание технологического процесса и экономические данные — в таблицах 2 и 3.

Таблица 2. Описание технологического процесса

Количество, шт.1
Тип техпроцессаВентилятор
Мощность двигателя, кВт56
Расчетная мощность, кВт40
Существующий способ управленияДвухскоростной двигатель
Напряжение питания, В380 (3 фазы)
Синхронная скорость двигателя, об/мин1500
Возраст двигателя, лет0–9
Кол-во перемоток
КПД установленного двигателя, %91
Кол-во часов работы в год, ч8 760
Таблица 3. Экономические данные

Затраты на внедрение единицы продукции, руб.195 000
Уровень инфляции, %11
Стоимость электроэнергии, руб/кВт•ч3
Ежегодное увеличение стоимости электроэнергии, %

Предлагаемый вариант оптимизации: частотный преобразователь промышленной серии ACS880-01-105A-3+E200+P940 мощностью 55 кВт и степенью защиты IP20 взамен старого способа управления (рис. 3).

Рис. 3. Промышленный частотный привод переменного тока

Преобразователь частоты ACS880 со степенью защиты IP20 для установки в шкафу. Для защиты преобразователя в шкафу необходимо предусмотреть установку быстродействующих предохранителей типа aR или автоматов с расцепителем.

Для соответствия стандартам по ЭМС в частотном преобразователе установлен электромагнитный фильтр класса С3.

При использовании частотного управления следует оценивать именно суммарный КПД системы «частотный преобразователь — двигатель». Частотный преобразователь — это само по себе двойное преобразование электроэнергии, поэтому КПД системы будет ниже, чем КПД асинхронного двигателя при прямом подключении к сети. С другой стороны, такой показатель, как коэффициент мощности системы, характеризующий потребление реактивной мощности и нелинейности сети, становится равным коэффициенту мощности частотного преобразователя. Соотношение изменения КПД системы и коэффициента мощности следует принимать во внимание при оценке эффекта энергосбережения и прогнозировании окупаемости оборудования.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector