2.2.2. Електроприводи

Електропривод - це основний постачальник механічної енергії на промислових підприємствах, дорівнює, як і основний споживач електричної енергії.

При роботі з електродвигунами - головне - це правильно "господарювати". Якщо двигуни перевантажені, то вони швидко виходять із ладу, Якщо вони недовантажені - те двигун працює неефективно, знижується його ККД і cosφ.

Капітальні затрати на установку двигуна меншої потужності окупаються за рахунок економії електроенергії. Двигун доцільно заміняти при завантаженні менш 45%, При завантаженні його на 45-70% для заміни потрібні серйозні економічні оцінки. При завантаженні двигуна більш, ніж на 70%, його заміна недоцільна.

Мотори повинні бути правильно підібрані по потужності з урахуванням особливостей конструктивного виконання. Отут мається на увазі наступне: cosφ асинхронних двигунів з фазним ротором нижче, ніж cosφ асинхронних двигунів з короткозамкненим ротором. Електродвигуни закритого й вибухозахищенних типів мають менший cosφ у порівнянні з відкритими, і їхнє використання повинне бути серйозно обґрунтовано міркуваннями безпеки.

Безліч моторів залишаються працювати й тоді, коли цього не вимагають технологічні нестатку. Причому це відбувається часто просто через те, що їх незручно виключати за допомогою ручних і навіть за допомогою автоматичних таймерних керованих вимикачів.

Ефективність приводів

У будь-якій системі приводів сам мотор як правило являє собою найбільш ефективну її частину. Тому найбільш розумним при роботі над підвищенням загальної ефективності системи є дослідження всієї системи в цілому: мотора, насоса, труб і кранів, а також тимчасових графіків роботи досліджуваної системи.

Енергетично ефективні (ЕЕ) двигуни

Вартість роботи мотора протягом року часто становить величину, раз в 15 перевищуючу вартість самого мотора. Тому проблема енергетичної ефективності мотора - це ключове питання при виборі нових моторів.

Потужність втрат у моторі визначається сумою постійних втрат (втрати в сталі, механічні втрати, втрати від струму порушення), що не залежать від навантаження, і змінних втрат (втрати в міді), обумовлених навантаженням двигуна.

В ЕЕ моторах використаються більше якісні сталеві пластини в статорах і більше якісні матеріали (сталь і мідь), що зменшують активні втрати (це саме постійна складова втрат). ЕЕ мотори як правило на 2 -5 відсотків більше ефективні, чим стандартні мотори. У них більше високий ККД, більше широкі можливості роботи в термічно перевантаженому стані, вони менш вимогливі до обслуговування. Крім того, вони менш чутливі до девиациям напруги й менше шумлять.

ЕЕ мотори більше ефективні, чим стандартні мотори у всьому діапазоні навантажень. Вони найбільш ефективні при 70% навантаженні, а саме так працюють більшість промислових моторів.

Виграш за ціною становить від 60% до 30% для ЕЕ моторів потужністю відповідно від 100 до 300 квт. Деякі постачальники продають ЕЕ мотори різної потужності за цінами, не перевищуючу ціну звичайних моторів.

Привод з електронним керуванням

Ціль застосування будь-яких приводів зі змінюваної (керованої) швидкістю -це підтримка швидкості мотора якнайближче до оптимальній або заданої, що диктується вимогами технологічного процесу або необхідністю зниження питомої витрати електроенергії.

Оцінні значення економії електроенергії при заміні нерегульованого електропривода регульованим такі: для вентиляційних систем - 50% , для компресорів - 40...50%, для повітродувок і вентиляторів - 30%, для насосів - 25%.

Існують кілька типів приводів з регульованою швидкістю. У цій главі ми детально розглянемо тільки електротехнічні системи керування швидкістю приводів.

Електротехнічні системи такого роду перетворять змінна напруга мережі електроживлення в постійну напругу (керований випрямляч, низькочастотний фільтр, що згладжує), а його, у свою чергу, - у змінну напругу з керованою амплітудою й (або) частотою. Подібні системи називають також перетворювачами частоти з ланкою постійного струму. Використання замість них тиристорних регуляторів змінної напруги більш економічно, однак такі пристрої гостро ставлять проблему електромагнітної сумісності живильної мережі й привода.

Для керування швидкістю потрібен сигнал зворотного зв'язка від відповідного датчика (тиску, температури, швидкості, потоку й т.д.). Ідеальний варіант - використання спеціального мікропроцесора, контролера або комп'ютера для керування швидкістю.

Такі системи можна застосувати відносно широкого спектра типів моторів:

• Зі змінним кутовим моментом - для насосів, вентиляторів, транспортерів, конвеєрів, відцентрових компресорів, нагнітачів;

• З постійним кутовим моментом - для змішувачів, перемішувачів, дробарок, млинів і т.д.;

• З постійною потужністю - для електроінструментів.

Їх можна застосовувати як із синхронними, так і з асинхронними (з короткозамкненим і фазним ротором) двигунами. Другий випадок відповідає синхронізації асинхронних двигунів, коли в режимі пуску двигун працює як звичайний асинхронний, а в робочому режимі він має властивості синхронного двигуна (Основні переваги синхронних електродвигунів перед асинхронними -наступні: можливість споживання випереджального струму й регулювання cosφ струмом порушення; менша чутливість до змін напруги живильної мережі: обертаючий момент пропорційний напрузі живильної мережі, а не його квадрату, як в асинхронних двигунів; більший ККД на 0,6 - 3,5% (менше втрати активної потужності))

Мікропроцесорні системи керування двигунами дуже ефективні й можуть використатися в багатомоторних системах. Крім того, у випадку відмови їх дуже просто можна виключити з роботи й на час ремонту обійтися без них.

Перш, ніж застосовувати систему електронного керування роботою двигуна, потрібно, звичайно, досліджувати всю конструкцію привода. Зменшення швидкості мотора приведе також до зниження швидкості обертання його охолоджувальної крильчатки. Ефективність охолодження при цьому знизиться, і виникне небезпека перегріву мотора. Цей варіант необхідно прорахувати з особливою старанністю, якщо мотор буде експлуатуватися в небезпечній зоні. Якщо планується використати мотор на швидкостях більше високих, чим стандартні для нього, то необхідно дуже ретельно прораховувати вплив такого режиму роботи на трансмісію, силові з'єднання, а також на корисне навантаження мотора. У той же час зниження швидкості транспортера, наприклад, знижує зношування тягнучого органа трансмісії. Зниження тиску, що розвиває насосами, збільшує термін служби трубопроводів і арматури, знижує надлишкова витрата рідин і газів.

Ефективність залежить від типу, швидкості й навантаження мотора, а також від його потужності.

• При 100% навантаженні: ККД=80% для мотора потужністю 5 квт, і 90% для мотора потужністю 150 квт.

• При 50% навантаженні: 55% для мотора потужністю 5 квт і 65% для мотора потужністю 150 квт.

Звичайно системи керування швидкістю двигунів установлюються з метою оптимізації технологічного керування, заощадження енергії, поліпшення якості виробленого продукту, або з метою підвищення продуктивності праці. На практиці найкращі можливості для економії енергії є у випадку насосів і вентиляторів, які протягом тривалого часу працюють у режимі часткового навантаження (із застосуванням таких не електротехнічних засобів зниження навантаження як різні дросельні заслінки, крани або жиклери). Будь-які спроби розглянути можливості економії енергії повинні містити в собі дослідження таких факторів як загальний наробіток (у годинниках), часовий графік навантаження, вартість електроенергії, робітники технологічні цикли, і так далі. У певних умовах їсти можливість заощадити до 50% електроенергії.

Відзначимо, однак, що оцінювати тільки чисто енергетичний ефект застосування керованих електроприводів у сфері технології - принципово не вірно. У сфері технології ефект виявляється найчастіше істотно вище, ніж просто економія енергії!

Строки окупності варіюються в широкому діапазоні залежно від конкретного випадку, однак іноді вони зводяться всього до напівроку.

Керування двигунами

Ці пристрої, часто називані напівпровідниковими перетворювачами напруги, частоти, контролерами к.п.буд., контролерами cosφ, або стабілізаторами швидкості, відслідковують завантаженість мотора.

В одному з варіантів, коли мотор виявляється завантаженим менш, ніж на 50 % і його ефективність починає швидко падати через те, що втрати в залозі починають переважати, регулятор знижує напруга на моторі. Це знижує втрати в залозі й збільшує енергетичну ефективність мотора і його к.п.буд. Самі регулятори споживають мало електроенергії. Їхнє власне споживання стає помітним тільки якщо мотор працює на повнім навантаженні. Таким чином, мотори, які протягом тривалого часу працюють на неповнім навантаженні, надають найкращі можливості для економії енергії.

Регулювання магнітного потоку при змінному навантаженні й постійній швидкості (частоті струму статора) дозволяє зменшити втрати електропривода на 20-25% від повних втрат у номінальному режимі. Мінімуми втрат, струму статора й споживаної активної потужності асинхронного двигуна при будь-яких навантаженнях можна реалізувати при підтримці сталості ковзання (або швидкості), обумовлених через параметри електродвигуна. Наявність тахогенератора (датчика швидкості) -істотний недолік, тому заміряти ковзання доцільно непрямим образом, по куті зрушення між першими гармоніками напруги й струму статора. При середніх навантаженнях (на лінійній ділянці кривої намагнічування) ефект від такого регулювання напруги підвищується, при малих навантаженнях - знижується через зростання втрат на вищих гармоніках струму.

Контролери м'якого старту (або регулятори плавного пуску й гальмування) поступово підбудовують (підвищують) напруга, що прикладає до мотора протягом стартового циклу, мінімізуючи в такий спосіб пускові екстратоки.

Функції регулятора швидкості й моменту, пристрою м'якого пуску й гальмування, а також пристрою захисту й діагностики, можуть поєднуватися в один прилад -регулятор-перетворювач. Такі пристосування потрібно використати скрізь, де тільки можливо, оскільки їхня вартість відносно невисока. Особливо економічно доцільно таке об'єднання для приводів зі змінним навантаженням.

Дослідження, що проводилися в університеті Серрей (Великобританія), показали, що застосування контролерів моторів дозволяє досягти наступних результатів по економії енергії (у відсотках від максимального споживання при повнім навантаженні, за умови, що мотор працює при 20% навантаженні):

• 1.6 % (для 22-кіловатного мотора)

• 2.1 % (для 7.5-кіловатного мотора)

• 3.7 % (для 3-кіловатного мотора)

На закінчення приведемо зведення загальних рекомендацій з енергозбереження, які стосуються будь-яких електромоторів.

• Двигуни повинні бути ретельно підібрані по потужності відповідно до потреб навантаження.

• Двигуни, які працюють без необхідності, повинні легко вимикатися.

• Повинна бути встановлена ефективний захист, що запобігає ушкодження крильчаток вентиляторів на осях моторів.

• Найчастіше можна поліпшити елементи трансмісії, тобто ремені й ін. Ефективність дуже сильно залежить від змащення. От приклади поліпшення ефективності, яку можна одержати:

Ремінь v-образного перетину, одноремінна система - 93...95%

Те ж, многоременна система - 90...93%

Плоский ремінь - 96...98%

Профільований ремінь - 96...98%

Шестерна передача - 97...99%

Профільований ремінь - 96...98%

Шестерна передача - 97...99%

Черв'ячна передача (40:1) - 60...70%

Черв'ячна передача (5:1) - 91...96%

Ланцюгова передача - 97...98%

• Необхідно розглянути можливість установки приводів зі змінною швидкістю, особливо в таких місцях, де мотори більшу частину часу працюють не з повним навантаженням.

• Використайте енергетично ефективні (ЕЕ) мотори, оскільки річна вартість роботи моторів може раз в 15 перевищувати споконвічну вартість самих моторів.

• Категорично варто відмовитися від експлуатації несправних, або погано відремонтованих двигунів. Ремонт двигунів варто робити без зміни їхніх номінальних даних.

Контрольні питання

1. Чому застосовують компенсація реактивної потужності?

2. Які основні споживачі реактивної потужності?

3. Перерахуйте зоходи по сниженню реактивної потужності?

4. Які технічні засоби можуть використовуватися для компенсації реактивної потужності?

5. Яким чином може бути підвищен коефіцієнт потужності для електродвигунів?

Лекція 5