9.2 Способы и средства энергосбережения в электроприводах

Более 60 % всей производимой в мире электроэнергии потребляется именно электродвигателями в электроприводах ра­бочих машин, механизмов, транспортных средств. Поэтому меры по экономии электроэнергии в электроприводах наиболее актуальны.

В процессе эксплуатации электропривода значительные потери энергии наблюдаются в переходных режимах и в первую очередь при его пуске.

Потери энергии в переходных режимах могут быть заметно сни­жены за счет применения двигателей с меньшими значениями моментов инерции ротора, что достигается уменьшением диамет­ра ротора при одновременном увеличении его длины, так как мощ­ность двигателя при этом должна оставаться неизменной. Напри­мер, так сделано в двигателях краново-металлургических серий, предназначенных для работы в повторно-кратковременном режи­ме с большим числом включений в час.

Повышения КПД двигателей приводов достигается применением новых конструкционных и магнитных материалов, улучшением технологии производства, повышением качества проектирования двигателей.

Использование в статических преобразователях частоты новых полупроводников и диэлектриков, работающих в условиях повышенных температур, также способствует минимизации потерь в электроприводе и повышению его КПД.

Эффективным средством снижения потерь энергии при пуске двигателей является пуск при постепенном повышении напряже­ния, подводимого к обмотке статора. Такой энергосбере­гающий способ пуска двигателя возможен только при работе этого двигателя в системе с регулируемым преобразователем: для асин­хронных двигателей это устройства плавного пуска или преобразователи частоты, а для двигателей постоянного тока это электронные (тиристорные) устройства управления.

Тиристорный регулятор напряжения (ТРН) включается между сетью и асинхронным двигателем и изменяет напряжение на двигателе при изменении нагрузки таким образом, чтобы оптимизировать какой-либо энергетический показатель – потери, потребляемую мощность, cos и т.д.

Снижение напряжения на зажимах асинхронного двигателя при пуске уменьшает воздействие на сеть, механическую часть двигателя и исполнительного механизма. Электропривод с регулированием по напряжению прост, надежен в эксплуатации, имеет низкие массогабаритные показатели, удобен и пользуется спросом потребителей.

Энергосберегающий эффект при торможении зависит от способа торможения. Наибольший энергосбе­регающий эффект происходит при генераторном рекуперативном торможении с отдачей энергии в сеть. При динамическом торможении двигатель отключается от сети, по­этому потери энергии при динамическом торможении не проис­ходит. Наибольшие потери энергии происходят при торможении противовключением, когда расход электроэнергии равен трехкратному значению энергии, рассеиваемой в двигателе при ди­намическом торможении.

При установившемся режиме работы двигателя с номинальной нагрузкой потери энергии определяются номинальным значением КПД. Но если электропривод работает с переменной нагрузкой, то в периоды ее спада КПД двигателя понижается, что ведет к росту потерь. Эффективным средством энергосбережения в этом случае является снижение напряжения, подводимого к двигателю в периоды его работы с недогрузкой. Это возможно реализовать при работе двигателя в системе с регулируемым преобразователем при наличии в нем обратной связи по току нагрузки.

Использованием системы регулирования ПЧ-АД (регуляторов частоты) для электроприводов насосов, вентиляторов и компрессоров при условии развития микроэлектроники и уменьшения стоимости силовых полупроводниковых приборов дает, по публикациям ведущих зарубежных фирм, существенную экономию электроэнергии и быструю окупаемость дорогостоящей системы управления.

Наряду с экономией электроэнергии при применении регулируемых электроприводов по системе ПЧ-АД и повышением КПД насосов и вентиляторов возрастает срок службы электрического и механического оборудования.

Рисунок 10 – Зависимость cos₁ = f(Р) асинхронного двигателя

при соединении обмотки статора «треугольником» и «звездой»

При проектировании электропривода важным является правиль­ный выбор мощности двигателя. Так, выбор двигателя завышенной мощности приведет к снижению его технико-экономических по­казателей (КПД и коэффициент мощности), вызванных недогруз­кой такого двигателя, а следовательно, к росту эксплуатационных расходов электропривода, так как с уменьшением КПД и коэф­фициента мощности возрастает непроизводительный расход элект­роэнергии. Такое решение при выборе двигателя ведет также к ро­сту капитальных затрат (стоимость двигателя с увеличением его номинальной мощности возрастает).

Применение двигателей заниженной мощности вызывает их пе­регрузку в процессе эксплуатации. Вследствие этого повышается температура перегрева обмоток, что способствует росту потерь и вызывает сокращение срока службы двигателя. В конечном итоге возникают аварии и непредвиденные остановки электропривода, и, следовательно, растут эксплуатационные расходы. В наибольшей степени это относится к двигателям постоянного тока из-за нали­чия у них щеточно-коллекторного узла, наиболее чувствительного к перегрузкам.

Большое значение имеет рациональный выбор пускорегулирующей аппаратуры. С одной стороны, желательно, чтобы процессы пуска, торможения, реверса и регулирования частоты вращения не сопровождались значительными потерями электроэнергии, так как это ведет к удорожанию эксплуатации электропривода. Но, с другой стороны, желательно, чтобы стоимость пускорегулирующих устройств не была бы чрезмерно высокой, что привело бы к росту капитальных затрат. Если электропривод не подвержен частым регу­лировкам, пускам, реверсам и т.п., то повышенные затраты на дорогостоящее пускорегулирующее оборудование могут оказаться неоправданными, а расходы, связанные с потерями энергии - незначительными. И наоборот, при интенсивной эксплуатации электропривода в переходных режимах применение полупровод­никовых пускорегулирующих устройств становится оправданным.

Решению проблемы энергосбережения способствует примене­ние синхронных двигателей, создающих в питающей сети реак­тивные токи, опережающие по фазе напряжение. В итоге сеть раз­гружается от реактивной (индуктивной) составляющей тока, по­вышается коэффициент мощности на данном участке сети, что ведет к уменьшению тока в этой сети и, как следствие, к энерго­сбережению. Эти же цели преследует включение в сеть синхрон­ных компенсаторов.

Примером целесообразного применения синхронных двигате­лей является электропривод компрессорных установок, снабжа­ющих предприятие сжатым воздухом. Для этого электропривода характерен режим: пуск при небольшой нагрузке на валу, продол­жительный режим работы при стабильной нагрузке, отсутствие торможений и реверсов. Такой режим работы вполне соответствует свойствам синхронных двигателей. Используя в синхронном дви­гателе режим перевозбуждения, можно достичь значительного энер­госбережения в масштабе всего предприятия.

С аналогичной целью применяют силовые конденсаторные уста­новки («косинусные» конденсаторы). Создавая в сети ток, опере­жающий по фазе напряжение, эти установки частично компенси­руют индуктивные (отстающие по фазе) токи, что ведет к повышению коэффициента мощности сети, а, следовательно, к энерго­сбережению.

Заключение

В данном разделе на основании проведенного проектирования системы ЭП необходимо сделать выводы по результатам разработки каждого раздела, а также общий вывод по итогам проектирования ЭП постоянного тока.

Список литературы

Головенков, С. Н., Сироткин, С. В. Основы автоматики и автоматического регулирования станков с программным управлением: Учебн. пособие для мишиностроительных техникумов. – Москва : Машиностроение, 1980. – 142 с., ил.

Справочник по наладке электрооборудования промышленных предприятий / под редакцией М. Г. Зименкова. – Москва : Энергоатомиздат, 1983. – 674 с., ил.

Михайлов, О. П. Автоматизированные электроприводы станков и промышленных роботов : Учебник для вузов. – Москва : Машиностроение, 1990. – 304 с. : ил.

Михеев, И. И., Опейко, О. Ф., Анхимюк В.А. Теория автоматического управления. – Минск : Дизайн ПРО, 2000. – 348 с.