ДИПЛОМ / 6 Энергоресурсосбережение

6 ЕНЕРГОРЕСУРСОЗБЕРЕЖЕННЯ

6.1 Аналіз проблеми, загальна характеристика технологічного процесу

Електроенергія є одним з найважливіших продуктів у індустріальному суспільстві. Дослідження показали, що середній прибуток, тривалість життя та інші важливі фактори рівня життя пов’язані зі споживанням електроенергії на душу населення в окремому регіоні чи в країні в цілому. Як і всі природні ресурси, енергетичні ресурси можуть виснажитися, тому важливо заощаджувати якомога більшу кількість енергії.

Збереження електричної енергії є важливою частиною загальної тенденції щодо захисту навколишнього середовища.

Виявлення причин нераціонального використання електроенергії на підприємствах та аналіз основних напрямків роботи в питаннях енергозбереження важливе завданням.

Можна виділити наступні напрямки економії електричної енергії на виробництві:

• економія електроенергії зменшенням її втрат;

• енергозбереження засобами електроприводу;

• економія електроенергії методами компенсації реактивної потужності;

• економія електроенергії при експлуатації електрообладнання.

Рисунок 6.1 Напрямки енергозбереження на виробництві

Основний спосіб зниження споживання електроенергії – її економія за рахунок зменшення втрат електроенергії в системах електропостачання (трансформаторах, лініях), а також за рахунок раціоналізації та вдосконалення технологічного процесу споживання електроенергії електродвигунами.

Зменшення втрат електроенергії в трансформаторах можна досягти шляхом правильного вибору числа потужності трансформаторів; раціонального режиму їх роботи; виключення холостого ходу при малих навантаженнях.

Для зменшення втрат в лініях живлення необхідно зменшити протікаючий через них струм. Це можливо при використанні резервних та паралельно працюючих ліній, а також при підвищенні напруги в мережі.

Особливе значення для економії електроенергії мають питання зниження електричного навантаження цеху в години максимуму енергосистеми.

Енергозбереження в електроприводі є частиною загального процесу ефективного використання електроенергії і визначається трьома процесами:

• енергоспоживанням;

• енерговикористанням споживаної енергії;

• енергоуправління процесу енергоспоживання.

На рисунку 6.2 ми бачимо основні шляхи реалізації енергозбереження засобами промислового електроприводу.

Рисунку 6.2 Основні шляхи реалізації енергозбереження засобами промислового електроприводу

На сучасних підприємствах значну долю складають теплоенергетичні установки, насосні агрегати, а також технологічне та допоміжне устаткування, де в електричному приводі машин та механізмів застосовують асинхронні двигуни з короткозамкненим ротором потужністю від декількох до сотен і тисяч кіловат.

Суттєвою альтернативою при керуванні технологічними процесами в агрегатах з асинхронними приводами може бути регулювання швидкості їх двигунів. З позиції теорії електричних машин та електропривода основним і найбільш економічним способом регулювання швидкості асинхронного двигуна є частотне керування ним. Для реалізації частотного способу регулювання швидкості застосовують перетворювачі частоти.

1 – фільтр вхідний; 2 – випрямляч; 3 – інвертор (АІН); 4 – фільтр вихідний; 5 – джерело живлення; 6 – мікропроцесорний контролер (МК); 7 – пульт керування

Рисунок 6.3 Структурна схема частотного перетворювача

Основу перетворювачів складає трифазний інвертор напруги (АІН) з широтно-імпульсною модуляцією (ШІМ). Система керування перетворювача виконана на базі програмованого мікропроцесорного контролера (МК).

Зазначені частотні перетворювачі мають значну кількість вільно програмованих автоматично виконуваних функцій, з яких для енергетичних і технологічних агрегатів представляють інтерес і можуть використовуватися:

• частотні пуск та зупинка двигуна з оптимальними за часом розгоном та гальмуванням;

• регенеративне гальмування двигуна;

• реверс двигуна;

• забезпечення заданої діаграми швидкості з кількістю ступенів регулювання;

• автоматична ідентифікація параметрів двигуна;

• повне керування моментом у всьому діапазоні частот;

• дистанційне оперативне керування перетворювачем і двигуном;

• самодіагностика та діагностика стану двигуна;

• електричний захист перетворювача та двигуна.

Основний ефект від застосування частотних перетворювачів в системах регулювання – економія електроенергії.

Економія електроенергії при змінних графіках навантажень з використанням регульованого електропривода для насосів в середньому складає 50 – 75% від потужності, яку споживають насоси при дросельному регулюванні. Аналогічна картина має місце при регулюванні вентиляторів.

Застосування частотного пуску конвеєрів дасть можливість знизити на 20 – 30% потужність двигуна конвеєра.

Застосування частотних перетворювачів, окрім економії електроенергії, дає ряд додаткових переваг, наприклад:

• плавний пуск і зупинка двигуна виключає шкідливу дію перехідних процесів;

• пуск двигуна здійснюється при струмах, обмежених на рівні номінального значення, що підвищує довговічність двигуна, знижує вимоги до потужності мережі живлення та потужності комутуючої апаратури;

• реалізація систем регулювання параметрів регульованого технологічного обладнання;

• можлива модернізація діючих технологічних агрегатів без заміни основного обладнання і практично без перерв в його роботі.

Вантажопідйомні машини є основним обладнанням для механізації внутрішньовиробничого транспорту. За допомогою цих машин здійснюється внутрішньоцехове переміщення вантажів за просторовою трасою, встановлюється арматура і опалубка при виробництві бетонних конструкцій і проведенні будівельних робіт, здійснюються вантажно-розвантажувальні операції на складах матеріалів, забезпечуються виробничі процеси в ремонтних і інших цехах.

До вантажопідйомним механізмів відносяться домкрати, талі, лебідки, ліфти та підйомні крани. Ліфтами - називаються підйомні пристрої циклічної дії, призначені для вертикального транспортування людей і вантажів у будівлях різного призначення. Ліфти бувають пасажирськими, вантажопасажирськими і вантажними. За швидкістю підйому вони поділяються на тихохідні – зі швидкістю підйому 1 м/с, швидкохідні –1,5 м/с, і швидкісні – понад 1,5 м/с. Ліфти розрізняються також за вантажопідйомністю.

Рух кабіни ліфта здійснюється в спеціальній шахті.

Управління пасажирськими ліфтами, як правило, кнопкове, а вантажними – як кнопкове (з провідником або без нього), так і за допомогою пульта.

Сучасні ліфти мають два основних механізми: механізму підйому і спуску кабіни і механізму відкривання і закривання дверей кабіни. Найбільш потужним і відповідальним є механізм підйому кабіни. Більшість сучасних ліфтів мають два електроприводу: електропривод підйому і електропривод дверей кабіни.

У тихохідних і швидкохідних ліфтах застосовують звичайно електропривод змінного струму, у швидкісних і високошвидкісних ліфтах – електропривод постійного струму.

Вантажопідйомні механізми набули широкого застосування в промисловості, але майже всі ці механізми застосовують з нерегульованим електроприводом.

Зважаючи на всі фактори є необхідність використання перетворювача частоти та покращення експлуатаційних характеристик цих механізмів, зменшення матеріальних затрат на експлуатацію, поточні та капітальні ремонти, зменшення часу простоїв виведеного з експлуатації обладнання, та покращення техніко-економічних характеристик.

Розробка лабораторного стенду з дистанційним керуванням шляхом використання частотно-регульованого електропривода ліфта дасть можливість оператору віддалено керувати переміщенням ліфта, а за рахунок використання частотного керування зменшити використання електроенергії.

6.2 Використання дрібномасштабних фізичних моделей електромеханічного обладнання в задачах підготовки спеціалістів по електромеханіці

Практична реалізація лабораторного практикуму традиційними методами з використанням експериментальних лабораторних стендів і установок навчального закладу завжди була пов'язана зі значними матеріальними витратами, які, за деякими оцінками, становлять до 80% всіх витрат на підготовку фахівця в галузі техніки і технологій. Це пов'язано не тільки зі створенням окремих зразків сучасного лабораторного обладнання, але і з необхідністю його обслуговування, постійної модернізації, тиражування для забезпечення можливості фронтального виконання робіт. В умовах різкого скорочення фінансування навчальних закладів, в першу чергу страждають саме навчальні лабораторії, обладнання яких швидко старіє морально і приходить в неробочий стан фізично.

Крім того, звичайні навчальні лабораторії мають обмежені можливості в сенсі проведення інженерних експериментальних досліджень, наприклад, дослідження динамічних режимів роботи електромеханічного обладнання при різних видах навантаження, а також аналізу перед аварійних та аварійних режимів, неприпустимих в реальних умовах.

Навчальний план підготовки інженерів-електромеханіків включає ряд навчальних дисциплін, безпосередньо пов'язаних з вивченням систем електроприводу: моделювання електромеханічних систем, теорія електроприводу, системи управління електроприводами, системи оптимального управління, цифрові системи керування електроприводом, комплектні електроприводи, автоматизований електропривод типових промислових механізмів, автоматизація типових технологічних процесів. Аналіз навчальних програм цих дисциплін свідчить про безумовну спільності і взаємозв'язку лабораторних робіт, практичних занять, розрахункових завдань, що виконуються студентами в рамках окремих курсів.

Конкретні лабораторні установки, як правило, призначені для виконання обмеженого числа лабораторних робіт з окремих навчальних дисциплін. Тому досить актуальним є завдання створення універсального лабораторного устаткування, що дозволяє досліджувати не тільки різні види електроприводу, але й виконувати лабораторні роботи по декількох навчальних дисциплін.

Досить проблематичним є питання забезпечення спеціальних технічних дисциплін необхідною літературою та методичними вказівками. Це пов'язано не тільки з недостатнім фінансуванням, але, найчастіше, і з відсутністю виданих сучасних підручників і посібників, як таких.

Ще одним дуже важливим моментом є те, що відповідно до нових Державними освітніми стандартами значна частина роботи з освоєння навчального матеріалу переноситься на поза аудиторну, самостійну роботу студента. При цьому зміст і обсяг програм з технічних дисциплін практично не зазнають істотних змін. Невідповідність між обсягом знань, які повинен засвоїти студент, і відведеного на цю роботу часом змушує викладачів шукати нові методи роботи, які дозволили б уникнути зниження якості підготовки фахівців.

Одним з можливих рішень даної проблеми є розробка та використання в навчальному процесі комп'ютеризованих інформаційно-методичних комплексів професійно-орієнтованих і спеціальних навчальних дисциплін. Центральним і найважливішим елементом такого комплексу є віртуальний лабораторний комплекс, що дозволяє здійснити нові підходи до організації лабораторного практикуму з використанням технології віртуальних приладів, реалізованих в середовищах пакету таких як LabVIEW або SCADA-системи.

В рамках дипломного проектування пропонується виконуюти наступні роботи:

- Розробка комп'ютеризованих інформаційно-навчальних комплексів з різних навчальних дисциплін спеціальностей таких як:«Електромеханічні системи автоматизації та електропривод» і «Системи управління і автоматики»: надійність і діагностика електрообладнання; «Цифрові системи управління»; «Теорія електроприводу»; «Системи керування електроприводом»; «Автоматизований електропривод типових промислових механізмів»; «Мікропроцесорні пристрої»; «Теорія автоматичного керування»; «Моделювання електромеханічних систем»; «Системи живлення комп'ютеризованих систем управління»; «Проектування електромеханічних систем»; «Основи збору, передачі та обробки інформації»;

- Розробка віртуальних лабораторних комплексів для дослідження систем управління різними технологічними об'єктами в умовах лабораторій ;

- Розробка віртуальних лабораторних комплексів для дослідження характеристик, режимів роботи і енергетичних процесів електроприводів постійного і змінного струму.

Враховуючи, що розробка зазначених комплексів вимагає знань не тільки в області електромеханіки, але й уміння розробляти алгоритми, програмувати, працювати з базами даних, значна частина дипломних проектів з даної тематики є межспеціальностними комплексними проектами, в яких студенти спеціальності «Електромеханічні системи автоматизації та електропривод» розробляють математичні моделі відповідних систем і об'єктів, виконують необхідні експериментальні дослідження, а студенти спеціальності «Системи управління і автоматики » вирішують питання алгоритмічного та програмного забезпечення, розробки інтерфейсів користувача, формування електронних методичних посібників і вказівок.

Технологія віртуальних лабораторних комплексів дозволяє кожному студенту не тільки набути навичок роботи з обладнанням, навчитися приймати якісні та швидкі рішення в різних ситуаціях, але й розширити, закріпити і пов'язати з практикою знання, отримані при теоретичному вивченні дисциплін, активізувати пізнавальну діяльність за рахунок отримання нових знань при виконанні віртуального експерименту, засвоїти фундаментальні закономірності, покладені в основу роботи реального обладнання.

Працюючи з віртуальним обладнанням, студент може не побоюватися вивести його з ладу своїми неправильними діями, має можливість оперативно отримувати відповіді на питання типу: «що буде, якщо ...?», Тобто значно збільшується інформаційна насиченість виконуваних лабораторних робіт.

Проведення оцінки економічної та соціальної ефективності створення і використання віртуальних комп'ютеризованих комплексів дозволяє отримати наступні результати:

– Зменшення витрат на створення, обслуговування, ремонт і модернізацію устаткування;

– Ліквідації витрат на тиражування однотипного лабораторного обладнання;

– Скорочення часу на виконання експериментальних досліджень у порівнянні з реальними фізичними установками;

– Скорочення термінів адаптації фахівців до умов виробництва;

– Скорочення часу технічної підготовки наукових досліджень.

Виконання поставленого завдання по створенню віртуальних лабораторних комплексів та комп'ютеризованих інформаційно-методичних комплексів навчальних дисциплін дозволить вирішити цілий ряд питань з організації підготовки фахівців-електромеханіків:

– Повне методичне забезпечення всіх видів занять та самостійної роботи студентів з вивчення конкретної навчальної дисципліни;

– Сучасне технічне забезпечення лабораторного практикуму дисципліни;

– Організація ефективного тренінгу студентів, в сенсі набуття навичок практичної роботи з електромеханічним обладнанням та розуміння фізичної сутності процесів, що відбуваються;

– Створення передумов для організації дистанційної форми навчання фахівців-електромеханіків;

– Організація та проведення ефективних курсів перепідготовки та перекваліфікації спеціалістів з вищою технічною освітою.

Реалізація цілого кола завдань методичного характеру, як показує досвід, може бути ефективно здійснена шляхом використання методів і способів експертних оцінок, що дозволяють визначити склад віртуального обладнання та утримання лабораторного практикуму, ефективність засвоєння матеріалу і можливість поширення отриманих знань на практичну роботу фахівця.

6.3 Аналіз показників ефективності застосування дрібномасштабних фізичних моделей електромеханічного обладнання

За допомогою використання дрібномасштабних фізичних моделей електромеханічного обладнання студент може не побоюватися вивести його з ладу своїми неправильними діями, так як ремонт такого обладнання вимагає мінімальних затрат в порівнянні з реальним обладнанням ремонт і обслуговування якого вимагає в рази більше часу і ресурсів.

Один із способів енергоресурсозбереження в дрібномасштабних фізичних моделях, це використання пристроїв віддаленого вводу / виводу, що здійснює функції керуючого пристрою, які в свою чергу дають наступні переваги:

– використання програмованого реле дозволить знизити до10% споживання електроенергію за рахунок відсутності громіздких шаф релейно-контактного управління ЕП ліфтів;

– підвищити надійність автоматизованої системи управління ЕП ліфта;

– скорочення обслуговуючого підйомну установку персоналу.

Розглянуте вище дозволяє виділити дві основні складові ефективності застосування дрібномасштабних моделей з частотно-регульованого ЕП в нашому випадку ліфта в порівнянні з реальним обладнанням:

– ефект від збільшення надійності системи керування електроприводом ліфта, обумовлений зниженням в п'ять разів передчасним ремонтом електрообладнання (заміна проміжних реле, пускачів, реле часу і т.д.);

– зниження грошових коштів фонду для оплати праці робітників за рахунок зменшення штату обслуговує ліфт персоналу .

Тоді загальна ефективність впровадження системи управління ЕП ліфта на базі програмованого реле визначаться виразом:

(6.1)

Виконаємо аналіз першої складової ефективності використання дрібномасштабних фізичних моделей частотно-регульованого ЕП ліфта.

До основних несправностей реального обладнання ліфтової установки можна віднести наступне:

– застосовувані в шафі обладнання реального ліфта реле виходять з ладу через наявність в них механічної частини, що призводить до швидкого зносу реле особливо в години пік, що характеризуються наявністю частих включень / виключень електроустаткування, наявність електричних розрядів при комутації навантаження і т.д.;

– ЕП ліфта часто виходить з ладу через збій в ланцюгах управління;

Витрати на обслуговування та поточний ремонт складаються з:

– затрат на заміну реле ;

– перемотку електродвигунів .

де – вартість реле; – вартість перемотки електродвигуна; , – кількість ремонтів за рік, відповідно.

Тоді перша складова ефективності впровадження автоматизованої системи управління ЭП ліфта:

, (6.1)

Дані о затратах на ремонт обладнання стосовно к релейній системі управління ЭП ліфта, наведені в табл. 5.1. Аналіз даних дозволяє сказати, що функціонування реального обладнання супроводжується значними вартісними затратами на заміну и ремонт обладнання із-за частої заміни реле (до 13 раз на рік), зносу ізоляції електричних машин (перемотка двигунів до 4 раз на рік).

Таблиця 5.1 – Витрати на ремонт обладнання

Стаття розходів	Вартість, грн	Кількість ремонтів за рік
Заміна реле, грн.	250	12
Перемотка електродвигуна, грн.	5400	2

Тоді перша складова ефективності впровадження системи управління ЭП ліфта на базі програмуємого реле буде:

грн.

Базовий штат обслуговуючого реальний ліфт персоналу і новий, необхідний для обслуговування дрібномасштабної комп’ютеризованої моделі ЭП ліфта, приведено в табл. 5.2.

Таблиця 5.2 – Штатна відомість

Назва спеціальності	Базовий штат	Новий штат
Черговий електрик	4	-
Черговий механік	2	-
Навчальний майстер	-	1
Всього	6	1

Складові энергоресурсозбереження при впровадженні дрібномасштабної комп’ютеризованої фізичної моделі ліфта в порівнянні з реальною установкою зведені в табл. 5.3..

Таблиця 5.3 – Складові энергоресурсозбереження

	За рахунок меншої частоти ввімкнень дрібномасштабної моделі ліфта в 1,9 раз знизились витрати на обслуговування і ремонт обладнання
	Необхідна кількість нового штату обслуговуючого модель персоналу склала 16,6% в порівнянні з базовим

Висновки за розділом:

Для того що б стати кваліфікованим фахівцем-електромеханіком, здатним приймати якісні інженерні рішення, швидко адаптуватися до умов виробництва, необхідно пройти серйозну практичну підготовку, яка неможлива без сучасного експериментально-дослідницького обладнання. Виходячи з цього необхідне створення комп'ютеризованих віртуальних лабораторних комплексів з відповідним методичним забезпеченням, що дозволить вирішити дану задачу в досить короткі терміни з найменшими фінансовими витратами. Крім того, студенти-розробники комплексів отримують навички реального проектування сучасних дослідницьких установок з використанням передових інформаційних технологій.

Ефективність впровадження дрібномасштабних фізичних моделей в нашому випадку ліфта з комп’ютеризованою системою управління електроприводом ліфта включає ефект від зниження відмов обладнання в 1,9 раз, скорочення штату обслуговуючого реальний ліфт персоналу на 16,6%.