53.Энергосбережение в электроприводах.

Электроприводом называется электромеханическая система, состоящая из взаимодействующих электрических,  электромеханических и механических преобразователей, а также управляющих и информационных устройств и устройств сопряжения, предназначенная для приведения в движение исполнительных органов рабочих машин и управления этим движением в целях осуществления технологического процесса.

Механическая энергия вырабатывается приводом за счет использования других видов энергии. В зависимости от вида используемой энергии различают гидравлический, пневматический, тепловой и электрический приводы. В современном промышленном производстве, коммунальном хозяйстве и в других областях наибольшее применение находит электропривод (электрический привод), на долю которого приходится более 60% потребляемой в стране электроэнергии.

Такое широкое применение электропривода объясняется целым рядом его преимуществ по сравнению с другими видами приводов: использование электрической энергии, распределение и преобразование которой в другие виды энергии, в том числе и в механическую, наиболее экономично; большой диапазон мощности электроприводов и скорости их движения; разнообразие конструктивных исполнений, что позволяет рационально сочленять привод с исполнительным органом рабочей машины и использовать для работы в различных условиях - в воде, среде агрессивных жидкостей и газов, космическом пространстве; простота автоматизации технологических процессов; высокий КПД и экологическая чистота.

Энергосбережение в электроприводе

Возможности использования современных электроприводов продолжают постоянно расширяться за счет достижений в смежных областях науки и техники: электромашиностроении, электронике и вычислительной технике, автоматике и механике. Энергосбережение, точнее рационализация производства, распределения и использования всех видов энергии, стало в последние 15...20 лет наряду с информатизацией и компьютеризацией одним из основных направлений технической политики во всех развитых странах мира.  Острый интерес ко всем аспектам энерго- и ресурсосбережения возник в мире на волне нефтяного кризиса 1970-х годов.. В развитых странах резко - в десятки раз - возросли инвестиции в сферу энергосбережения, стали создаваться специальные программы и организации.

Анализ структуры потерь в сфере производства, распределения и потребления электроэнергии показывает, что определяющая доля потерь до 90 % приходится на сферу энергопотребления, тогда как потери при передаче электроэнергии составляют лишь 9... 10 % (в США - 8 %, в ФРГ и Японии - 4... 5 %). Очевидно, что основные усилия по энергосбережению должны быть сконцентрированы именно в сфере потребления электроэнергии. Экономия энергии за счет повышения эффективности ее использования рассматривается в мировой практике как основное направление развития современной энергетики. Рост эффективности ведет к росту всех показателей экономики страны, снижает техногенную нагрузку на экологию регионов, связанных с производством энергии.

Проблема энергосбережения актуальна и в нашей стране. Высокая энергоемкость внутреннего валового продукта (ВВП) - проблема национальной экономики. Она в России в 2,2 раза выше, чем в США, в 3,2 раза выше, чем в Европейском Союзе (ЕС) и в 3,6 раза выше, чем в Японии. Доля энергозатрат в стоимости промышленной продукции Российской Федерации составляет 18 % (в СССР было 3 %), а в некоторых отраслях достигает 70 %, что приводит к неконкурентоспособности наших товаров и нерентабельности инвестиций. Считается, что в среднем по миру за счет экономии можно сберечь до 30 % энергии, в России потенциал энергосбережения - 40 %.

В развитых странах электроэнергия составляет около 20 % от всего расхода энергии. Основным потребителем электроэнергии является электропривод (более 60 %), и именно на него обращено главное внимание мировой технической общественности, работающей в сфере энергосбережения.

Немецкие специалисты считают, что экономический потенциал энергосбережения в электроприводе практически исчерпан, если рассматривать индивидуальные компоненты электропривода, то они уже достаточно совершенны. Вместе с тем остается громадный потенциал, основанный на совершенствовании проектирования систем в целом и оптимизации их параметров.

Около 90% всех электроприводов используется в простых агрегатах - насосах, вентиляторах, транспортерах, конвейерах и т.д. Этой группе до недавнего времени уделялось мало внимания, так как в подобных агрегатах обычно используются самые простые электроприводы с не всегда правильно выбранными двигателями, но именно в этой группе содержится громадный резерв энерго- и ресурсосбережения. Цена электроэнергии, потребляемой ежегодно средним двигателем в промышленности, в 5 раз превосходит цену двигателя. Очевидно, что за время службы двигателя (10...20 лет) энергетическая составляющая в десятки раз превысит составляющую, связанную с капитальными затратами, в связи с чем забота об оптимизации именно энергетической составляющей является особенно важной.

Электропривод - это управляемая электромеханическая система. Её назначение - преобразовывать электрическую энергию в механическую и обратно и управлять этим процессом.

Громадная доля электроэнергии, потребляемая электроприводом, - до 65% в развитых странах, и осуществление электроприводом практически всех технологических процессов, связанных с движением, делают особенно актуальной проблему энергосбережения в электроприводе и средствами электропривода. В мировой практике к настоящему времени сформировалось несколько основных направлений, по которым интенсивно ведутся исследования, разработки, осуществляются крупные промышленные проекты.

В нерегулируемом электроприводе, реализованном на основе асинхронных электродвигателей с к.з. ротором, много внимания уделяется так называемым энергоэффективным двигателям, в которых за счет увеличения массы активных материалов, их качества, а также за счет специальных приемов проектирования удается поднять на 1–2% (мощные двигатели) или на 4-5% (небольшие двигатели) номинальный КПД при некотором увеличении цены двигателя.

Этот подход, используемый и активно рекламируемый с 70-х годов сначала в США, затем в Европе, может приносить пользу, если технологический процесс действительно не требует регулирования скорости, если нагрузка меняется мало и если двигатель правильно выбран. Во всех других случаях использование более дорогих энергоэффективных двигателей может оказаться нецелесообразным.

Правильный выбор двигателя для конкретного технологического процесса – один из важнейших путей энергосбережения. В европейской практике принято считать, что средняя загрузка двигателей составляет 0,6, тогда как в нашей стране, где до недавнего времени не было принято экономить ресурсы, этот коэффициент составляет 0,3 – 0,4, т.е. привод работает с КПД значительно ниже номинального. Завышенная “на всякий случай” мощность двигателя часто приводит к незаметным на первый взгляд, но очень существенным отрицательным последствиям в обслуживаемой электроприводом технологической сфере, – например, к излишнему напору в гидравлических сетях, связанному с ростом потерь и снижением надежности и т.п.

Основной путь энергосбережения средствами электропривода – подача конечному потребителю – технологической машине – необходимой в каждый момент мощности. Это может быть достигнуто посредством управления координатами электропривода, т.е. за счет перехода от нерегулируемого электропривода к регулируемому. Этот процесс стал в последние годы основным в развитии электропривода в связи с появлением доступных технических средств для его осуществления – преобразователей частоты и т.п.

Выбор рациональных в конкретных условиях типов электропривода и способов управления, обеспечивающих минимизацию потерь в силовом канале, - важный элемент в общей проблеме энергосбережения.

Ожидается, что переход от нерегулируемого электропривода к регулируемому в технологиях, где это требуется, может сэкономить до 25-30% электроэнергии. В одной из технологий – в водо- воздухоснабжении – переход к регулируемому электроприводу, как показал опыт, экономит около 50% электроэнергии, до 25% воды и до 10% тепла.