Лекция №1. Введение. Возможные пути энергосбережения, основные понятия и определения

ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ СРЕДСТВАМИ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА

 

Конспект лекции

 

для магистрантов специальности

6M0718 - Электроэнергетика

 

Алматы 2010

СОСТАВИТЕЛЬ: П.И. Сагитов. «Энергосбережение средствами автоматизированного электропривода». Конспект лекций для магистрантов специальности 6M0718 – Электроэнергетика. – Алматы: АИЭС, 2010. - 60 с.

Конспект лекций по курсу “Энергосбережение средствами автоматизированного электропривода” разработан в соответствии с учебной программой, рассчитан на 24 часа лекции для магистрантов специальности 6M0718 – Электроэнергетика, специализации «Электропривод и автоматизация технологических комплексов».

Рассмотрены энергосберегающие режимы различных типов электроприводов, основных промышленных установок.

Приведены примеры выбора энергосберегающих схем и систем регулируемых электроприводов, методы расчета мощности приводного двигателя для конкретных механизмов промышленных установок.

Предназначен для магистрантов обучающихся по специальности электроэнергетического направления.

 

Содержание

1 Лекция №1. Введение. Возможные пути энергосбережения, основные понятия и определения 4

2 Лекция № 2. Организация энергопотребления на объектах 8

3 Лекция № 3. Энер­госбережение в технологических процессах средствами электропривода 14

4 Лекция №4. Регулируемый электропривод, как средство энергосбережения 17

5 Лекция № 5. Оценка энергоэффективности электроприводов 22

6 Лекция № 6. Оптимизация электроприводов по потреблению электроэнергии 26

7 Лекция № 7. Энергосберегающий асинхронный двигателя на примере регулируемого электропривода насосов 31

8 Лекция №8. Основные аспекты энергосбережения на примере электроприводов механизмов собственных нужд тепловых электростанций 37

9 Лекция № 9. Особенности работы центробежных насосов и требования к их электроприводу по энергосбережению 42

10 Лекция № 10. Экономические и технические аспекты проектирования электроприводов промышленных установок в энергосберегающих режимах 46

Лекция № 11. Алгоритмы функционирования электрооборудования в режиме энергосбережения 50

12 Лекция № 12. Энергоаудит, возможности энергосбережения 55

Список литературы 60

Лекция №1. Введение. Возможные пути энергосбережения, основные понятия и определения

Содержание лекции:

- общие вопросы курса, основные понятия и определения;

- экономия энергоресурсов;

- возможности энергосбережения.

Цель лекции:

- ознакомить студентов с проблемами энергосбережения на современном этапе развития техники и энергетики;

- введенные понятия энергосбережения;

- освоить признаки, определяющие экономию электроэнергии.

Энергосбережение — это экономия топливно-энергетических ресурсов и связанных с ними затрат при производстве продукции и услуг, получаемая при соблюдении технологических параметров, обеспечивающих их высокое качество, отвечающее требованиям нормативов и стандартов.

Решается правовыми, организационными, научными, производственными, техническими и экономическими методами, направленными на эффективное использование топлив­но-энергетических ресурсов и вовлечение в хозяйственный оборот возобновляемых источников энергии.

Получение экономии энергоресурсов и связанных с ними затрат достигается:

- применением более энергоэкономичных технических решений, в том числе на основе последних достижений науки и техники;

- повышением тепловой защиты жилых, общественных, производственных, сельскохозяйственных и складских зданий и сооружений;

- организацией технологических процессов, в которых энергопотребляюшее и энергопреобразующее оборудование эксплуати­руется в оптимальных (обычно номинальных) режимах;

- снижением постоянных составляющих энергозатрат, несвязанных непосредственно с производством продукции и услуг;

- обеспечением качественных ремонтов и обслуживания энергопотребляющего оборудования и систем, поддержанием его в исправном состоянии;

- вовлечением в процесс энергосбережения субъективных факто­ров, заинтересовывая обслуживающий энергетический и техно­логический персонал предприятий и потребителя в экономии энергоресурсов.

К примеру, в сфере теплоснабжения складывается ситуация, для которой характерны следующие негативные факторы:

• во-первых, отсутствие у производителей тепла побудительных стимулов внедрять измерительные системы и энергосберегающее оборудование, так как за потери теплоты расплачивается потре­битель;

• во-вторых, продолжающийся рост стоимости теплоты и отсутствие стимулов экономии при оплате за фактически потребленные ресурсы ведут к увеличению неплатежеспособного спроса на них
со стороны потребителя. Все это способствует перерасходу энергоресурсов, образованию задолженности потребителя за уже поставленную и использованную теплоту и как следствие
возникновению трудностей с поддержанием теплофикационных систем в рабочем состоянии, включая проблему закупок топли­ва и электроэнергии;

• в-третьих, потребитель, не оснащенный приборами, регистри­рующими энергопотребление, не имеющий прямой связи между объемами энергопотребления и оплатой за них, в свою очередь, мало заинтересован в энергосбережении.

Проблема энергоресурсосбережения весьма актуальна. В процессе энергосбережения важное место отводится энерго­аудиту (энергетическому обследованию), в задачу которого входит проведение обследования предприятий и энергоресурсопотребляюших систем с целью получения объективной оценки эффектив­ности использования энергоресурсов и разработки рекомендаций по ее повышению.

Повышение цен на энергоносители делает задачу энергосбере­жения экономически актуальной. Необходимо использовать все полезное, накопленное в прошлые годы, применять последние технические достижения в области энергосбережения. Развитие техники на новом уровне возвращает интерес к ранее забытым техническим решениям по энергосбережению - они становятся экономически востребованными.

Одной из глобальных проблем, возникших на заре двадцать первого века, является зависимость человека от источников энергии. Основной метод его получения – это использование природных источников – нефти, газа, радиоактивных элементов. Эти источники энергии являются, во-первых невосполнимыми, во-вторых создают предпосылки к экологическим катастрофам. Возникают такие вредные явления, как парниковый эффект, озоновые дыры, кислотные дожди, радиоактивное заражение и т.д.

Процесс производства 1кВт. час энергии сопровождается выбросом в атмосферу, в среднем 1 к СО_2, кроме этого, процесс электроэнергии дорожает изо дня в день, т.к. постоянно увеличивается стоимость расходов на извлечение природных источников энергии из недр земли. На данный момент выбросы парниковых газов на душу населения, к примеру, в Республике Казахстан составляют около 15 тонн углекислого газа в год. В СНГ мы занимаем третье место после России и Украины, а в Центральной Азии – первое место по выбросам. В следствии того, что в основном в качестве топлива используются низкосортные угли. Таким образом, как экономические факторы, так и экологические факторы заставляют обратить пристальное внимание на вопросы эффективного и экономичного использование энергии.

Около половины энергии, расходуемой в настоящее время, теряется при потреблении. Недавняя, быстрая эскалация цен на топливо, нестабильность поставок и пред­полагаемые ограничения в будущем, заставили сконцентрировать внимание на необходимости полного пересмотра отношения к потреблению топлива и энергии с особым акцентом на энергосбережение. Энергосбережение в том значении, как оно применяется в данном случае, означает сокращение потерь и повышение коэффициента использования энергии. Сбережение не следует путать с сокращением расхода. Энергосбережение позволит растянуть на более продолжительное время ограниченные запасы высококачественных видов топлива, находящихся в земле. Оно также позволит зарезервировать часть запасов ископаемого топлива для неэнергетических нужд: производства лекарств, смазочных и других материалов. Проблема заключается в том, что мы, вероятно, встретимся с продолжительным дефицитом топлива и электроэнергии, если только в будущем не будут открыты новые источники энергии. Часть этого дефицита энергии должна компенсироваться мероприятиями по энергосбережению, ибо в противном случае можно ожидать весьма существенных или даже катастрофических изменений в запасах сырья и материалов некоторых фирм.

Кроме этого при отсутствии все более значительных мер по энергосбережению прогнозируемый мировой спрос на нефть будет приближаться к максимуму производственных возможностей по ее добыче и довольно существенно превысит эти возможности. Таким образом, возможности стран, импортирующих нефть, в том числе и Республики Казахстан, получить ее в достаточных коли­чествах будут подвергаться серьезной опасности, цены будут резко возрастать по мере ужесточения ограничений на имеющиеся ресурсы.

Современный научно-технический прогресс сулит большие возможности для энергосбережения. Рас­ходная часть энергетического баланса может быть постепенно сокращена в значительных размерах без изменения уровня производства и жизни в республики. Некоторые спе­циалисты уже указывали, что значительная часть потребности в энергии в последующем может удовлетворяться просто путем улучшения эффективности использования энергии у существующих потребителей. Это необ­ходимо еще доказать, но уже сейчас можно заявить с уверенностью, что одна тонна сэкономленной нефти имеет большую ценность, чем одна тонна вновь добытой нефти [1,2,3].

Электрическая энергия исторически оказалась столь дешевой, что нигде, кроме наиболее энергоемких отраслей промышленности, никогда не контролировали ее расход. И даже для энергоемких отраслей цель часто заключалась только в том, чтобы сократить затраты, связанные с потребностью в электроэнергии. Но времена, когда электрическая энергия была дешевой, прошли. Цены на энергию быстро растут и электроэнергетические компании, а также энергосистемы общего пользования начинают коренным образом пересматривать структуры своих тарифов. Все в большей и большей степени идея регулирования расхода энергии захватывает все предприятия независимо от их величины.

Стоимость электрической энергии обычно составляет самую крупную сумму в счетах энергосистем и электрических компаний, выписанных предприятиям, и это связано с тем, что ее расходует почти каждый агрегат из числа энергорасходующего оборудования на предприятии. Поэтому следует - уделить особое внимание использованию электрической энергии для осуществления энергосбережения, а также для потенциально возможного снижения затрат. Анализ расходов электроэнергии по секторам промышленности и типам оборудования показывает, что основными потребителями электроэнергии являются различные виды электроприводов и электронагревательных приборов.

Целью политики государства в данной сфере является жесткое и безусловное достижение намеченных стратегических ориентиров роста энергоэффективности с использованием широкого спектра мер, стимулирующих потребителей энергоресурсов и обес­печивающих:

• структурную перестройку экономики в пользу мало­ энергоемких обрабатывающих отраслей и сфер услуг;

• создание условий для реализации потенциала технологического энергосбережения и выполнение намеченных программ;

• обоснованное повышение внутренних цен на энергоносители до бездотационного уровня экономически оправданными, приемлемыми для потребителей темпами;

• постепенную ликвидацию перекрестного субсидирования в тарифообразовании, прежде всего в электроэнергетике.

Продолжение реформирования жилищно-коммунального хозяйства стимулирует интенсификацию энергосбережения. Эффективное ценовое регулирование является абсолютно необходимым, но недостаточным условием интенсификации энергосбережения.

Необходимо осуществление системы правовых, административных и экономических мер, стимулирующих эффективное использование энергии, в том числе:

• изменение в соответствии с существующими нормами, правил и регламен­тов, определяющих расходование топлива и энергии, в направле­нии ужесточения требований к энергосбережению;

• совершенствование правил учета и контроля энергопотребле­ния, а также установление стандартов энергопотребления и предельных уровней энергопотерь, обязательная сертификация энергопотребляющих приборов и оборудования массового применения для установления их соответствия нормативам расхода энергии;

• проведение регулярного надзора за рациональным и эффективным расходованием энергоресурсов предприятий;

• создание дополнительных хозяйственных стимулов энергосбе­режения, превращающих его в эффективную сферу бизнеса;

• широкая популяризация государством эффективного использо­вания энергии среди населения, массовое обучение персонала;

• создание доступных баз данных, содержащих информацию об энергосберегающих мероприятиях, технологиях и оборудовании, нормативно-технической документации;

• проведение конференций и семинаров по обмену опытом, пропаганда энергосбережения в средствах массовой информации и т.д.

Задача состоит в том, чтобы за счет целенаправленной государственной политики обеспечить заинтересованность потре­бителей энергоресурсов в инвестировании в энергосбережение, создать более привлекательные условия для вложения капитала в эту сферу деятельности, снизив возможные финансово-экономические риски.

Одним из инструментов государственной политики должна быть поддержка специализированного бизнеса в области энергосбе­режения, что позволит сформироватьэкономических агентов (энергосервисные и энергосберегающие компании), предлагающих и реализующих оптимальные научные, проектно-технологические и производственные решения, направ­ленные на снижение энергоемкости. Поддержка энергосберегающего бизнеса предполагает переход от прямой финансовой помощи со стороны государства к формированию системы реализации эффек­тивных бизнес - проектов в соответствующей сфере, страхования коммерческих и некоммерческих рисков.

Мероприятия по энергосбережению и эффективному исполь­зованию энергии должны стать обязательной частью региональных программ социально-экономического развития регионов, в том числе региональных энергетических программ.

 

Лекция № 2. Организация энергопотребления на объектах

Содержание лекции:

- энергосбережение на объектах производства;

- факторы, влияющие на энергопотребление на пром. предприятиях;

- потенциал энергосбережения на объектах промышленных предприятии.

Цель лекции:

- изучить особенности энергопотребления промышленных предприятий;

- освоить основные факторы энергопотребления на предприятиях;

- представлять возможные пути сокращения энергопотребления на объектах промышленных предприятий.

 

Если мы будем рассматривать промышленное предприятие как систему, то сможем установить, что, с одной стороны, имеются затраты энергии, сырья и труда, а с другой - выпуск продукции, выход вторичных энергоресурсов и материалов. Чтобы максимизировать прибыли, тот или иной руководитель пытается обеспечить по возможности наиболее низкие издержки, связанные с затратами на производство.

В прошлом во многих случаях в связи с тем, что стоимость энергии была низкой по сравнению с другими затратами, ее игнорировали. Однако сейчас в условиях постепенно увеличивающихся цен на энергию энергетическим затра­там следует уделять больше внимания. Экономить энергию можно или путем усовершенствования процесса превращения энергии утилизации вторичных энергетических ресурсов, или путем повторного использования вторичных материалов. Большие возможности имеются в таком использовании технологии, чтобы она обеспечила достижение значительной экономии. Но для того чтобы опреде­лить эти области возможной экономии, должны быть получены ответы на два основных вопроса:

а) Какие имеются области деятельности, в которых могут предусматриваться большие потенциальные возможности для улучшения использования энер­гии?

б) Какие специальные меры или альтернативные решения для этих областей деятельности могут привести к улучшению и более эффективному использованию энергии?

Для производства любого данного ассортимента продукции требуется опре­деленный минимум расхода энергии, зависящий от влияния таких основных факторов, как качество выбранного сырья, принятая технология производства и уровень производства, который намечено обеспечить. За пределами этого поро­гового значения необходимо экономически сбалансировать дополнительные из­держки, вызываемые использованием более энергетически эффективных обору­дований или технологических процессов и стоимостью энергии, которая может быть сэкономлена в результате их применения. В период дешевых, легкодоступ­ных энергетических ресурсов и относительно неограниченных источников охла­ждающей воды экономия энергии и энергосбережение не обязательно должны были быть синонимичными или даже сходными [4].

Несмотря на то, что некоторые более энергоемкие промышленные потребители, включая химическую, целюлозно - бумажную и нефтеперерабатывающую промышленность, уже давно установили, что вполне конкурентоспособно предусматривать энергосбережение, имеется большое число примеров вплоть до последнего времени, когда экономия, которая может быть достигнута при применении того или иного энергосберега­ющего оборудования не компенсировала затраты на установку этого оборудова­ния. Однако в настоящее время - время неопределенности с поставками энергии и быстро растущих цен на топливо, энергосбережение должно стать не только достижением отдельных корпораций, но и общегосударственным делом.

Много различных факторов влияют на использование энергии для тех или иных вариантов конечного потребления. Среди этих факторов наиболее важными являются: капитальные затраты и затраты на топливо; издержки производства и издержки на техническое обслуживание и текущий ремонт; технология произ­водства; надежность оборудования; наличие ресурсов топлива; затраты труда; необходимые производственные площади; социальные факторы (охрана окружа­ющей среды, техника безопасности и т.д.).

Чтобы установить, имеется ли возможность значительно сократить нашу потребность в топливе путем улучшения коэффициента использования топлива, необходимо изучать процессы, которые в наибольшей степени определяют расход топлива, и коэффициент использования топлива в этих процессах.

Оценки потенциала энергосбережения в секторе промышленности могут быть отнесены в лучшем случае к весьма деликатным операциям. Несмотря на то, что мы знаем, сколько энергии расходуется различными видами технологических процессов, трудно определить, какое количество энергии можно было бы сэконо­мить при использовании энергосберегающих конструкций оборудования для осуществления этих промышленных процессов. Еще более важно и то, что мы не располагаем средствами прогнозирования способности промышленности, осуществлять программы энергосбережения в добровольном или принудительном порядке [5,6,7].

Вследствие низкой стоимости энергии (составляющей только от 3 до 5% для фирм изготовителей продукции) предполагают, что промышленность просто и не старается эффективно использовать энергию в ее производственных процес­сах. Менее 50% всей энергии, расходуемой во всем мире, используется эффективно, а остальную часть составляют потери энергии при превращениях, на тепловое излучение, с охлаждающей водой и пр. Около 55% энергии, используемой в чер­ной металлургии, расходуется эффективно. Это означает, что теряются 45% энергии. Электроэнергетика использует около 30% энергии, содержащейся в ископаемом топливе, в связи с чем теряется почти 70% этой энергии. На транс­порте положение обстоит даже хуже, только 25% поступающей этому потреби­телю энергии расходуется эффективно, в то время как 75% теряются. В дру­гих отраслях промышленности, в которых энергия используется не в первич­ной, а во вторичной форме, для приведения в действие машинного оборудования достигаются лучшие показатели, и по оценкам коэффициент использования энер­гии в них составляет 75% [8].

В современной литературе указывается, что не будет необоснованным предположение о возмож­ности достижения экономии энергии около 30% в результате внедрения совре­менных энергосберегающих технологических процессов в промышленную прак­тику [9]. Эффективность, с которой энергия используется в промышленности, колеблется в широких пределах в зависимости от особенностей той или иной отрасли и мощности установки. Изобретение более эффек­тивного оборудования и более эффективных технологических процессов (например, в производстве цемента, нефтепереработке, химической технологии) и осо­бенно внедрение методологии, способствующей использованию вторичных энерго­ресурсов на предприятиях, может способствовать достижению дополнительной экономии энергии в промышленности, сверх полученных оценкой в 30 %.

Можно рассмотреть ряд перспективных оценок потенциала энергосбереже­ния. К примеру, нефтехимическая энергетическая группа, представляющая собой нефтехимическую про­мышленность в целом может уменьшить существующий уровень удельного рас­хода топлива на единицу объема производства, примерно на 7-12%, и добиться в дальнейшем еще большей дополнительной экономии (5-10%), возможной в долгосрочной пер­спективе в результате разработки более эффективных процессов и установки нового оборудования. Однако фактические снижения расхода достигнутые крупными зарубежными фирмами, по некоторым данным превысили эти расчетные пределы.

В перспективе снижение потребности энергетических ресурсов в промышленности к 2010 г. составит примерно 30%.[10] С учетом существующих технологии имеется возможность уменьшить на одну треть удельный расход топлива в черной метал­лургии, нефтеперерабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности, в производстве алюминия, меди и цемента [II]. Такое уменьшение расхода в основном покрыло бы дополни­тельную потребность в топливе, связанную с ростом промышленности, который прогнозируется на оставшиеся годы текущего десятилетия.

В тех случаях, когда энергия используется более эффективно, может быть снижена себестоимость продукции и увеличены при­были. Все это можно осуществить даже с учетом влияния резкого увеличения затрат на энергию. Имеется возможность классифи­цировать мероприятия, которые способствуют экономии энергии, по трем основным группам:

а) Общеорганизационные меры. Промышленные фирмы могут значительно уменьшить энергопотребление, улучшив обслужи­вание оборудования и организацию энергопотребления (например, вывод из эксплуатации резервных печей, улучшение комфортных условий, устранение утечек пара и тепла) и сделав больший упор на оптимизацию энергопотребления. Кроме того, экономия по этой группе может быть достигнута путем улучшения эксплуата­ционных режимов (например, работа при более низких, но при­емлемых температурах без их отрицательного влияния на произ­водительность).

б) Видоизменение оборудования и технологических процессов. Видоизменение оборудования можно осуществлять или примени­тельно к существующему оборудованию (его модификация), или затрагивать конструкции вновь создаваемого оборудования, или касаться одновременно того и другого. Усовершенствования могут быть результатом улучшения контроля качества продукции, ис­пользования более долговечных или более эффективных деталей и воплощения новой или ранее отрицавшейся более эффективной идеи в отношении конструкции оборудования. Изменения в тех­нологических процессах или их полная замена для достижения более высоких тепловых к. п. д., также могут быть осуществлены при условии обеспечения производства продукции определенного качества в необходимых количествах, при расходе меньшего ко­личества энергии.

в) Комплексное осуществление операций. Улучшение исполь­зования оборудования может быть достигнуто путем тщательного изучения производственных процессов, графиков работы, эксплу­атационных операций. Как правило, промышленные предприятия являются многоагрегатными, многопродуктными комплексами, ко­торые в прошлом зачастую проектировались и сооружались для последовательного осуществления независимых операций при минимальном внимании к общей эффективности использования энергии на том или ином предприятии. Повысить энергетическую эффективность этих предприятий можно путем использования целого ряда способов:

- организацией надлежащей последова­тельности технологических

операций. Например, применение пара или газа высоких давлений для выработки электрической энергии или для привода перед тем, как утилизировать тепло, содержащееся в паре или продуктах сжигания газа, поможет добиваться максимального использования имеющегося энерге­тического потенциала;

- коренным изменением графиков работы с целью использования технологического оборудования в течение непрерывных периодов эксплуатации, что позволит тем самым избежать многочисленных кратковременных периодов работы и свести к минимуму потери тепла на разогрев;

- надлежащей разработкой графиков технологических операций во время вне­ пиковых периодов для поддержания постоянного уровня электри­ческой нагрузки и обеспечения использования энергии в периоды пиковых нагрузок.

Следует практиковать последовательное использование энер­гии и материалов, начиная с наивысших значений тех или иных их характеристик. Это позволит значительно снизить ухудшение характеристик применения после завершения каждой из ступеней этих характеристик. Энергосбережения можно достигнуть в ре­зультате агрегированного влияния определенной последователь­ности операций и их взаимодействия как в пространстве, так и во времени. В связи с этим энергетические системы могут удовлет­ворять потребности непрерывно при изменении теплового потока с его наивысшего температурного уровня до самого низкого зна­чения. Разделение отдельных технологических операций в про­странстве или во времени вызывает значительные изменения тем­пературы и соответствующие потери энергии, а также увеличивает расход энергии на транспортировку и эксплуатацию оборудования.

Все эти категории изменений требуют прироста основного ка­питала и представляют собой ни что иное, как замещение этим капиталом затрат на покупку энергии. Однако многие изменения в организации энергоиспользования требуют только более тщатель­ной организации энергоснабжения.

Создание эффективной про­граммы организации энергоснабжения выдвигает на первый план следующие основные элементы:

- понимание основных прин­ципов энергоиспользования и их практическое осуществление на предприятии;

- проведение всеобъемлющих исследований для количественной оценки всего расхода энергии и ее прихода за заданный период времени; следует также выделить то оборудование, эксплуатация которого связана со значительным расходом энергии;

- создание плана мероприятий и организаций необхо­димой информации;

- установление заданий по расходу энергии отдельными агрегатами;

- организация управления энергоснаб­жением и контроль за

энергоиспользованием в соответствии с ус­тановленными заданиями.

Большая часть энергорасходующих агрегатов и технологиче­ских процессов, которые используются в настоящее время, была создана и внедрена в период дешевой и имеющейся в избытке энергии, особенно ископаемых видов топлива. Последствием было то, что при данных высоких капитальных затратах и более вы­соких затратах труда было очень мало стимулов для разработки эффективных с энергетической точки зрения типов технологии. В настоящее время существует большое количество вариантов технологии, в которых используются более энергосберегающие решения, но они более широко используются за рубежом, где энергия, как правило, стоила даже больше, чем в Республике Казахстан.

С учетом быст­рого увеличения затрат на топливо, изменений в ресурсах топ­лива и экологической ситуации эмпирические методы и общепри­нятые варианты технологии должны быть пересмотрены крити­чески. Многие из известных методов должны быть модернизиро­ваны и усовершенствованы. Например, во многих процессах, в ко­торых сырьем также является топливо, конструкции агрегатов, которые позволяют оптимизировать расход сырья, будут косвенно снижать и общую потребность в энергии.

Количество топлива, сэкономленного в результате осуществле­ния мероприятий, упомянутых в опубликованных в настоящее время статьях и докладах, являются весьма впечатляющими, особенно в связи с той простотой, которой отличаются сами эти мероприятия.

Простые совершенно доступные меры, такие как регулирование режимов оборудования для сжигания или регулирование заводской системы вентиляции, уже позволяют добиться экономии топлива на 10% или даже более. Вполне очевидно, что те, кто еще раньше выражали свою уверенность в том, что можно сэко­номить довольно существенные количества топлива в результате более эффективного использования энергии в промышленных про­цессах, сейчас уже реабилитированы.

 

Лекция № 3. Энер­госбережение в технологических процессах средствами электропривода

Содержание лекции:

- основные понятия о механизмах непрерывного действия с

сосредоточенными усилиями;

- анализ нагрузок, построение нагрузочных диаграмм;

- расчет мощности двигателя.

.

Цель лекции:

- изучить особенности механизмов с сосредоточенными усилиями;

- освоить методы построения нагрузочных диаграмм;

- освоить расчет мощности приводных двигателей.

 

Пути энер­госбережения среди основных потребителей, в технологической сфере средствами электропривода на современном уровне развития инженерной практики можно классифицировать следующим образом.

а) Простейшему и самому массо­вому, неуправляемому электроприводу с короткозамкнутыми асинхронными двигателями необходимо совершенствование про­цедуры выбора двигателей по уточненным методикам для конкретных установок. Постанов­ка задачи здесь очевидна: двигатель заниженной мощности быстро выходит из строя, а двигатель завышенной мощности преобразует энергию неэффективно, т. е. с высокими удельны­ми потерями в самом двигателе (низкий КПД) и в подводящих линиях (низкийН_рс и соsj), следовательно, нужен «правиль­ный» двигатель. Вместе с тем решение задачи не всегда эле­ментарно, часты ошибки, а так как число таких простейших электроприводов оценивается миллионами, то возможен боль­шой ущерб. В нечастых простейших случаях, когда нагрузка неизменна, ошибки могут быть вызваны лишь низкой квалифи­кацией разработчиков (известны случаи, когда двигатель под­бирали по диаметру вала и т.д.). А вот в наиболее характерной си­туации, когда нагрузка сильно и не всегда определенно меня­ется, есть проблемы теоретического характера. Приемы выбора двигателей, излагаемые в классической теории электропривода и обычно применяемые на практике, основаны на определении некоторых эквивалентных по нагреванию признаков конкрет­ных режимов (потерь, токов и т. п.) и сравнении их с соответ­ствующими номинальными величинами предварительно выбран­ного двигателя. Например, известные методы средних потерь, эквивалентных токов, моментов, мощности, которые часто используются на практике [4], [5].

Эти приемы не учитывают типичность эквивалентируемых режимов, не дают представления об изменении энергетических показателей и срока службы изоляции в различных ситуациях, а следовательно, о фактическом смысле и значении различий между эквивалентными и номинальными величинами. Все это усугубляется процедурной сложностью, недостаточностью ис­ходной информации, паспортных и каталожных данных. В свя­зи с этим они могут рассматриваться лишь как первое прибли­жение (конечно, необходимое) в решении задачи. Разработаны и более совершенные приемы, которые требуют от проектировщиков определенной степени квалификации. Здесь же подчеркнем, что даже пер­вое приближение может быть полезным на практике, так как позволит выявить очевидные ошибки.

В технической литературе часто встречается такая рекомен­дация: если двигатель загружен меньше чем на 50%, то его надо менять обязательно, если на 50-70%, то нужны дополни­тельные оценки.

а) Повышение экономичности массового нере­гулируемого электропривода - переход на энергосберегающие двигатели, в которых за счет увеличения массы активных ма­териалов (железа и меди) повышены номинальные значения КПД и соsj.

Указанная возможность, широко используемая, например, в последние годы за рубежом, дает эффект, когда дви­гатель работает с практически постоянной нагрузкой и, разуме­ется, правильно выбран. Целесообразность создания и приме­нения энергосберегающих двигателей в таких приводах должна оцениваться с все сторонним учетом дополнительных затрат, по­скольку небольшое - на несколько процентов повышение но­минальных КПД и соsj достигается за счет увеличения массы железа на 30-35%, меди на 20-25, алюминия на 10-15%.

Были проведены исследования и разработаны специальные энергосберегающие двигатели при работе в системе электропривода от частотных преобразователей. Ориентировочные зависимости КПД и соsj от номинальной мощности для обычных промышленных и энергосберегающих двигателей приведены на рисунке 1.

 

Пунктирные линии, для стандартных двигателей, сплошные линии для энергосберегающего двигателя

Рисунок 1 - Кривые КПД и соs j асинхронных двигателей

 

б) Создание специальных дополнительных технических средств, обеспечивающих в нерегулируемом эле­ктроприводе минимизацию вредного влияния на энергетические показатели отклонения нагрузки от номинальной.

Эта возмож­ность появилась и развивается в последние годы в СНГ и за рубежом на основе достижений силовой электроники и микро­электроники, с одной стороны, и резким обострением энергети­ческой проблемы - с другой. Необходимо подчеркнуть, что эти технические средства - специальные регуляторы электрической энергии, включаемые между сетью и статором двигателя, кроме функций энергосбережения, выполняют и другие, часто не менее важные функции, управляют режимами пуска и тор­можения, иногда регулируют скорость и момент, осуществляют защиту, диагностику и т. п., то есть повышают технический уро­вень привода в целом, увеличивают его надежность. При изменении нагрузки большая часть энергии идет на вибрацию механической системы и на нагрев двигателя.

Используемые системы запоминают максимальные значения нагрузки и, в процессе работы электродвигателя, меняют рабочее напряжение двигателя, подводя его под величину существующей нагрузки. Это позволяет минимизировать потребление нагрузки, экономя до 60% в зависимости от загрузки двигателя.

С учетом многофункциональности применения такое решение оказывается экономически целесооб­разным для приводов с переменной нагрузкой даже при отно­сительно высокой цене энергосберегающего устройства.

В качестве примера можно привести систему POWERBOSS, предлагаемую фирмой GREATIVE IMPORT EXPORT CORPORATION L.t.d., разработанную на основе микрокомпьютера, созданного NASA,США. Устройство используется во многих странах мира и позволяет экономить электроэнергию на нерегулируемых асинхронных двигателях промышленных установок в пределах от 20 до 60% со сроком гарантированной службы в 12 лет и окупаемостью около 2х лет.

Надо иметь в виду, что включение между сетью и статором двигателя любого полупроводникового устройства неизбежно приведет к искажению напряжения и тока, как в двигателе, так и в сети. Так появляется новая проблема - проблема электро­магнитной совместимости сети и привода. При единичных при­менениях такого типа энергосберегающих устройств она касает­ся главным образом двигателя, однако при массовом их ис­пользовании необходимо учитывать и внешнее влияние. Эта проблема напоминает проблемы экологические - развитие соз­данных человеком объектов влияет (иногда, если не заботиться о последствиях, сильно и отрицательно) на окружающую среду.

в) Переход от нерегулируемого электро­привода, к регулируемому. Этот объективный процесс, обуслов­ленный повышением технического уровня оборудования, в ко­тором используется электропривод, часто дает возможность ра­ционального решения энергетических задач. Перед детальным рассмотрением этого пути энергосбережения отметим лишь три важных обстоятельства.

- При переходе к регулируемому электроприводу экономия энергии часто достигается не за счет собственного привода, а за счет того процесса, который привод обслуживает, причем экономия иногда во много раз превосходит собственное потребление электропривода. Так, перейдя от неизменной скоро­сти транспортера, доставляющего различные детали в закалоч­ную печь, к гибко управляемой, удается оптимизировать терми­ческий процесс, в частности, по энергетическому критерию. Очевидно, что мощности процессов медленной транспортировки и закалки отличаются на несколько порядков.

- Для получения полезных, энергетического и дру­гих эффектов, часто нужны изменения координат (скорости, момента) электропривода в очень небольших пределах, при этом требования к качеству регулирования ограничены. Так, лишь небольшое изменение скорости насоса, подающего горячую воду в здание, обеспечивает су­щественную экономию дорогой горячей воды.

- Специфика конкретных задач такова, что нет каких-либо универсально хороших решений, и инженеру при­ходится в каждом случае искать из большого набора возмож­ностей одну - лучшую в определенном смысле. Кроме того, очень ограничен набор серийно выпускаемых, комплектных и подходящих для указанной замены электроприводов, что дела­ет особенно важным квалифицированный подход к делу.

Способ относящийся к регулируемому электропри­воду, - учет, наряду с прочими, энергетических критериев оцен­ки его качества. Этот путь приобретает существенное значение сейчас, поскольку регулируемый электропривод перестал быть экзотическим устройством и играет все более заметную роль в энергетическом балансе. Здесь, как будет показано далее, су­щественны и совершенствование традиционных решений, и по­иск новых, эффективных в энергетическом смысле.

Выбирая способ энергосбережения, надо особое внима­ние уделять комплексному решению задач, не ограничиваться пользой, полученной - и даже доказанной в одном месте.