| |||||
|
| |||||
Эффективность работы агрегатов на основе электроприводаПримерно 60% потребляемой электроэнергии приходится на электропривода, т.е. на преобразование электрической энергии в механическую, 26% на генерацию тепла и технологические процессы и всего лишь около 5% для освещения. Т.о. основной потенциал энергосбережения и эффективности находится в совершенствовании электропривода. Этот факт, а также совершенствование элементной базы существенно повлияли на развитие электропривода: прямой привод (двигатель – механизм) и регулируемый привод на двигателях постоянного тока стали неэффективны, их место занимают привода с частотным регулированием.
Наиболее перспективным на сегодняшний день является частотное регулирование электропривода (ЧРП). Суть его в том, что для специально адаптированного асинхронного электродвигателя исключается редуктор, а устанавливается регулятор частоты, позволяющий управлять работой электрической машины в зависимости от условий эксплуатации. Эффект достигается путем изменения частоты и амплитуды трехфазного напряжения, поступающего на электродвигатель. Таким образом, меняя параметры питающего напряжения (частотное управление), можно делать скорость вращения двигателя как ниже, так и выше номинальной. При этом управление электродвигателем осуществляется по определенному параметру работы агрегата.
При этом основной эффект ЧРП не только в экономии электроэнергии, а в улучшении показателей качества работы агрегатов. Например, для металлообрабатывающих станков частотное регулирование по силе резания или показателям вибраций позволяет улучшать качество поверхности получаемой заготовки. Для насосных станций, когда регулирование производится по давлению в трубопроводе, насосные агрегаты выбираются исходя из расчетных характеристик (как правило, с запасом по производительности) и функционируют с постоянной частотой вращения, без учета изменяющихся расходов, вызванных переменным водопотреблением. Насосы продолжают работу с постоянной частотой вращения, создавая избыточное давление в сети (причина аварий). При этом бесполезно расходуется значительное количество электроэнергии. Так происходит в ночное время суток, когда потребление воды падает. Основной эффект достигается не за счет экономии электроэнергии, а благодаря существенному уменьшению расходов на ремонт водопроводных сетей.
На сегодняшний день ЧР применяется для электродвигателей мощностью до 1 МВт и напряжением 0,4 кВт, частотное регулирование для двигателей более высокой мощности и для более высокого напряжения требует специальных решений. По имеющимся данным срок окупаемости проекта по внедрению преобразователей частоты с указанными параметрами для объектов ЖКХ составляет от 3 месяцев до 2 лет. По данным концерна «Русэлпром» на сегодняшний день в России около 20% насосных агрегатов, ориентированных на водоснабжение, представляют собой асинхронные двигатели с частотным регулированием – это убедительная демонстрация возможностей новой техники. Более того, применение ЧРП для водоканалов стало стандартным решением. Сегодня ЧРП асинхронных двигателей – самый распространенный способ регулирования. Диагностика состояния привода, управление цифровыми и аналоговыми сигналами, простое и удобное программирование работы, простая связь нескольких приводов, взаимодействующих в технологическом процессе – вот неполный перечень пользовательских качеств такого электропривода. Большое будущее для использования ЧР в приводах в системах вентиляции и воздушного отопления, имеющих резервы энерго и ресурсосбережения, экономии при применении ЧРП и правильном выборе мощности двигателей в многочисленных простых, но энергоемких электроприводах. ЧРП применяются в:
Преимущества применения ЧРП:
Недостатки применения ЧРП
В последние 10 лет наряду с преобразователями частоты в асинхронном электроприводе применяются «устройства плавного пуска» , позволяющие контролировать пуск и останов привода за счет управления напряжением двигателя. Это позволяет снизить нагрузки на сеть при пуске мощного двигателя, а также обеспечить энергосбережение посредством снижения напряжения на недогруженном двигателе. Эти устройства выпускаются многими зарубежными фирмами и оказываются весьма полезными, особенно для работы с мощными асинхронными двигателями, не нуждающимися в регулировании скорости, но имеющими шестисемикратные пусковые токи.
Электропривод постоянного тока, который ранее был практически единственным регулируемым электроприводом, сейчас используется значительно реже . По зарубежным оценкам в настоящее время его доля составляет 7% от всех эксплуатируемых регулируемых электроприводов. Широкое применение привода постоянного тока нашли в мощных тяговых электроприводах, где применение механической трансмиссии слишком дорого. Примерами применения тяговых приводов постоянного тока работающих по схеме дизель – синхронный генератор – двигатель постоянного тока могут служить самосвалы БелАЗ грузоподъемностью 220 и 110 т, речные и морские дизельэлектроходы. Кроме того, приводы постоянного тока активно применялись для станков, железнодорожных локомотивов и др. транспорта. Асинхронные двигатели, практически не уступая двигателям постоянного тока по возможностям регулирования частоты вращения , проще в изготовлении (отсутствие коллекторного узла) и эксплуатации часто имеют меньшие массу, размеры и стоимость. Именно эти отличительные свойства асинхронных двигателей определили их главенствующее использование в промышленном нерегулируемом электроприводе. В настоящее время двигатели постоянного тока вытесняются асинхронными двигателями с преобразователями частоты, основными производителями которых являются Vacon, Siemens, SewEurodrive, Combidrive, General Electric, опытные трансмиссии на переменном токе мощностью более 1 мВт разработаны ОАО «Силовые машины» и ООО «Русэлпром». Число выпускаемых двигателей постоянного тока составляет лишь 4–5% числа двигателей переменного тока. Однако, ориентированность ОАО РЖД, РУПП БелАЗ и др. крупных потребителей на мощные привода постоянного тока позволяет предположить существование таких приводов еще в течение 10–20 лет. Основные производители приводов постоянного тока АВВ, Control Techniques, Siemens, Sprint – Electric. Тем не менее, для новой техники предусматривается возможность использования тяговых электроприводов на переменном токе с системами управления.
Тяговый электропривод характеризуется задачами замедления и торможения устройства. Классическим решением такой задачи является система привода с асинхронным двигателем с преобразователем частоты, оснащенным тормозным переключателем с тормозным резистором. При этом в режиме замедления/торможения электродвигатель работает как генератор, преобразуя механическую энергию в электрическую, которая в итоге рассеивается на тормозном резисторе. Типичными установками, в которых циклы разгона чередуются с циклами замедления, являются не только тяговый привод электротранспорта, но и подъемники, лифты, центрифуги, намоточные машины и т.п. Функция электрического торможения вначале появилась на приводе постоянного тока (например, троллейбус, электропоезд серии Эр2). В конце ХХ века появились преобразователи частоты со встроенным рекуператором, которые позволяют возвращать энергию, полученную от двигателя, работающего в режиме торможения, обратно в сеть. В последнее время появилась информация о создании сети в карьерах и оборудовании большегрузных карьерных самосвалов тралеями. Тем не менее, привод постоянного тока продолжает использоваться особенно для мощных механизмов 1–2 МВт.
Решение задач синхронизации и управления положением исполнительных органов стало возможным с применением сервоприводов – одной из разновидностей прямых приводов, работающих в системе и связанных через систему управления между собой в сеть. Преобразователь частоты сервопривода получает информацию от датчика обратной связи (энкодер) о положении и скорости ротора двигателя и выдает необходимые для нужного перемещения параметры на двигатель. Лидирующие позиции в производстве сервоприводов занимают такие компании как Control Techniques, Omron – Yaskawa, Siemens, SewEurodrive, «Рухсервомотор». Ведутся работы по внедрению вентильноиндукторного электропривода. Это силовая версия одного из типов хорошо известного шагового электропривода. Принцип действия вентильноиндукторного двигателя – ближайшие зубцы пассивного зубчатого ротора притягиваются к возбужденным в данный момент электромагнитам – зубцам статора. Этот процесс непрерывно повторяется для других групп зубцов, что реализуется электронным коммутатором и удовлетворительно функционирует, как показывает опыт, лишь при очень тонком управлении ключами коммутатора. На машинах возникают вибрации, шумы, инерция регулирования и т.п. Вместе с тем принципиальных преимуществ по сравнению с асинхронным приводом практически нет, и поэтому перспективы развития этого вида электропривода весьма туманны. Тем не менее, работы в этом направлении ведутся. Одним из разработчиков такой техники в России является ООО «Центртехкомплект» г. Москва.
Альтернативой регулируемому асинхронному приводу выступают синхронные двигатели на постоянных магнитах , предусматривающих регулирование количества оборотов. Такой двигатель имеет меньшие габариты по сравнению с асинхронными двигателями, больший КПД и дает некоторый выигрыш по энергопотреблению. Недостатком таких двигателей является сложность ремонта не в заводских условиях. Синхронный регулируемый привод применяется в некоторых исполнениях вместо гидроусилителя в рулевом механизме «Лады – Калины». Необходимо заметить, что для генерации электроэнергии применяются крупные синхронные электрические машины турбогенераторы и гидрогенераторы мощностью от 2,5 до 600 МВт и более. Изменение конструкции электроприводов коснулось и этих машин. Вместо громоздких аппаратных систем возбуждения генераторов появились современные цифровые системы возбуждения и мониторинга, позволяющие значительно точнее управлять генераторами и значительно сократить вероятность возникновения аварий. Системы управления для крупных синхронных машин или группы крупных синхронных машин, как и для асинхронных машин, практически во всех отраслях промышленности ранее разрабатывал и изготавливал ОАО «Электропривод», который сейчас преобразован в ряд самостоятельных предприятий.
Электрические приводы, по сравнению с механическими и гидравлическими, для механизмов небольшой мощности хорошо управляются и регулируются. При этом части механических и гидравлических приводов изнашиваются со временем. Количество изнашивающихся частей в регулируемом электроприводе значительно меньше, этим объясняется тенденция к частичной замене механической трансмиссии на электропривод.
Очевидно, в будущем (примерно 1015 лет) в России основным типом применяемого электродвигателя останется асинхронный двигатель . Причем доля решений с частотным регулированием, устройствами плавного пуска и специальными системами управления работой привода будет увеличиваться пропорционально удешевлению комплектующих для электронных устройств и развития частотного регулирования для высоковольных электрических машин. В силу того, что стоимость устройства ЧРП значительна для мощных машин, ЧРП будут оснащаться в начале менее мощной машины с постепенным расширением для более мощных. Кроме того, будут развиваться средства мониторинга работы электрических машин, безусловно, начиная от крупных, постепенно в направлении к менее мощным. При этом следует отметить, что тенденция к снижению энергозатрат приведет к созданию более эффективных приводов с более высоким КПД и меньшими габаритами. Мощные и трудно пускаемые электроприводы будут снабжаться устройствами плавного пуска, осуществляющими, кроме того, функцию энергосбережения при недогрузке двигателя, защиты от превышения напряжения, симметрирование фаз и т.п. Уже сегодня многие потребители настаивают на оснащении даже маломощных электрических машин датчиками контроля температуры подшипников, статора и т.п. Предполагается, что в дальнейшем небольшие электрические машины будут оснащаться электронными блоками управления, функции которых будут направлены на предотвращение аварийных ситуаций.
К.Л. РазумовРаздолов Другие публикации: | |||||
|
