энергоэффективности или энергосбережения, хотя такая точка зрения и высказывается в некоторых источниках.

Единственный способ, которым вышеописанные устройства могут вносить вклад в повышение энергоэффективности, состоит в том, что они предоставляют возможность выключить двигатель при отсутствии потребности в его функционировании.

«Истинные» устройства управления или регулирующие устройства позволяют управлять частотой вращения электродвигателя и создаваемым им моментом. Принцип работы типичного регулятора двигателя переменного тока состоит в преобразовании частоты тока, получаемого из сети (50 Гц в Европе), в заданную частоту, что позволяет изменять частоту вращения двигателя. Устройство, регулирующее скорость двигателя переменного тока, может называться:

•«преобразователь частоты»;

•«инвертор» (это название часто используется пользователями двигателей в промышленности);

•«привод с регулируемой частотой» (это и следующие названия относятся к сочетанию двигателя и регулирующего устройства);

•«привод с переменной скоростью»;

•другие аналогичные названия (например, «привод с регулируемой скоростью»).

На системы с электроприводом приходится около 65% промышленного потребления электроэнергии в странах Европейского Союза. Согласно данным, полученным в рамках программы EU-15 SAVE, в 15 странах ЕС потенциал энергосбережения на предприятиях, использующих двигатели переменного тока, составляет 43 ТВт·ч/год, причем 15 ТВт·ч/год из этой величины связано с повышением энергоэффективности самих двигателей.

Существует, как минимум, два различных подхода к анализу и оптимизации энергоэффективности систем с электроприводом. Один подход подразумевает анализ энергоэффективности отдельных компонентов и переход к использованию лишь энергоэффективного оборудования. Другой подход основан на анализе системы в целом и, как отмечалось во введении к данному разделу, способен обеспечить значительно большее энергосбережение.

3.6.1. Энергоэффективные двигатели

Общая характеристика и производственная информация

(Информация по «Экологическим преимуществам», «Воздействию на различные компоненты окружающей среды», «Применимости», «Экономическим аспектам», «Примерам» и «Мотивам внедрения» для методов повышения энергоэффективности двигателей приведена в разделе 3.6.7).

Энергоэффективные двигатели и высокоэффективные двигатели отличаются повышенной энергоэффективностью. Начальные затраты на приобретение такого двигателя могут быть на 20– 30% выше по сравнению с традиционным оборудованием при мощности двигателя более 20 кВт, и на 50–100 % при мощности менее 15 кВт. Конкретная величина стоимости зависит от класса энергоэффективности (двигатель более высокого класса содержит больше стали и меди), а также других факторов. Однако при мощности двигателя 1–15 кВт может быть достигнуто энергосбережение в размере 2–8% от общего энергопотребления.

Приводя к меньшему нагреву двигателя, сокращение потерь способствует и продлению срока службы изоляции обмоток, а также подшипников. Поэтому при переходе к использованию энергоэффективных двигателей во многих случаях:

•повышается надежность работы двигателя;

•сокращаются продолжительность простоев и затраты на техническое обслуживание;

•возрастает устойчивость к тепловым нагрузкам;

•улучшается способность к работе в условиях перегрузки;

221

•возрастает устойчивость к различным нарушениям эксплуатационных условий – повышенному и пониженному напряжению, несбалансированности фаз, искажению формы волн (гармоникам) и т.д.;

•увеличивается коэффициент мощности;

•снижается уровень шума.

Согласно общеевропейскому соглашению между Европейским комитетом производителей электротехнического оборудования и силовой электроники (CEMEP) и Европейской Комиссией, на большинстве электродвигателей, производимых в странах ЕС, четко указывается их уровень энергоэффективности. Европейская схема классификации электродвигателей, применяемая к двигателям мощностью менее 100 кВт, устанавливает три класса эффективности, обеспечивая стимулы для производства более эффективных моделей:

•EFF1 (высокоэффективные двигатели);

•EFF2 (двигатели стандартной эффективности);

•EFF3 (низкоэффективные двигатели).

Эта классификация применима к 2-х и 4-х полюсным трехфазным асинхронным двигателям переменного тока с короткозамкнутым ротором, номинальными напряжением и частотой 400 В и 50 Гц, номинальным режимом работы S1 и номинальной механической мощностью от 1,1 до 90 кВт. Именно на такие двигатели приходится наибольшая доля продаж на рынке. На рис. 3.27 показана зависимость энергоэффективности каждого из трех классов двигателей от номинальной мощности.

Рисунок 3.27: Энергоэффективность трехфазных индукционных электродвигателей

Ожидается, что производство двигателей классов EFF3 и EFF2 будет прекращено к 2011 г. во исполнение требований Директивы ЕС по экологическому проектированию энергопотребляющей продукции. Во время подготовки настоящего документа Международная электротехническая комиссия (МЭК) работала над созданием новой международной классификации электродвигателей, согласно которой двигатели классов EFF2 и EFF3 относятся к низшему классу

222

энергоэффективности, а двигатели с характеристиками, превосходящими EFF1, образуют новый высший класс.

Большую помощь в выборе оптимального двигателя может оказать специализированное программное обеспечение, например, Motor Master Plus39 или EuroDEEM40, рекомендуемое проектом EU-SAVE PROMOT.

При выборе оптимальных решений в области электроприводов может использоваться база данных EuroDEEM41, в которой собраны данные об энергоэффективности более чем 3500 типов двигателей от 24 производителей.

3.6.2. Выбор оптимальной номинальной мощности двигателя

Общая характеристика и производственная информация

(Информация по «Экологическим преимуществам», «Воздействию на различные компоненты окружающей среды», «Применимости», «Экономическим аспектам», «Примерам» и «Мотивам внедрения» для методов повышения энергоэффективности двигателей приведена в разделе 3.6.7).

Очень часто номинальная мощность электродвигателя является избыточной с точки зрения нагрузки – двигатели редко эксплуатируются при полной нагрузке. По данным исследований, проводившихся на предприятиях стран ЕС, в среднем двигатели эксплуатируются при нагрузке, составляющей 60% номинальной.

Электродвигатели достигают максимального КПД при нагрузке от 60 до 100 % номинальной. Индукционные двигатели достигают максимального КПД при нагрузке около 75% номинальной, и величина КПД остается практически неизменной при снижении нагрузке до 50% номинала. При нагрузке ниже, чем 40% номинальной, условия работы двигателя существенно отличаются от оптимальных, и КПД снижается очень быстро. У двигателей высокой мощности порог, ниже которого происходит резкое снижение КПД, составляет около 30 % номинальной нагрузки.

Использование двигателей с оптимальной номинальной мощностью:

•способствует повышению энергоэффективности, позволяя эксплуатировать двигатели при максимальном КПД;

•может способствовать снижению потерь в сетях, связанных с низким коэффициентом мощности;

•может способствовать некоторому снижению частоты вращения вентиляторов и насосов и, как следствие, энергопотребления этих устройств.

Рисунок 3.28: Зависимость КПД электродвигателя от его нагрузки

39Программа разрабатывается при поддержке Министерства энергетики США.

40Программа разрабатывается при поддержке Европейской Комиссии (Генеральная дирекция по энергетике и транспорту).

41Публикуется Европейской Комиссией.

223

3.6.3. Приводы с переменной скоростью

Общая характеристика и производственная информация

(Информация по «Экологическим преимуществам», «Воздействию на различные компоненты окружающей среды», «Применимости», «Экономическим аспектам», «Примерам» и «Мотивам внедрения» для методов повышения энергоэффективности двигателей приведена в разделе 3.6.7).

Использование приводов с переменной скоростью, представляющих собой сочетание электродвигателя с регулирующим устройством, способно привести к значительному энергосбережению, связанному с более эффективным управлением характеристиками технологического процесса. Другие положительные эффекты применения таких устройств включают, в частности, уменьшение износа механического оборудования и снижение уровня шума. При работе в условиях переменной нагрузки приводы с переменной скоростью позволяют существенно снизить уровень энергопотребления. В частности, для таких применений, как центробежные насосы, компрессоры и вентиляторы, сокращение энергопотребления, может находиться в диапазоне -4–50%. Использование приводов с переменной скоростью способствует сокращению уровня энергопотребления и повышению общей производительности таких устройств по обработке материалов, как центрифуги, мельницы и различные станки, а также таких устройств по перемещению материалов, как накаты (лентопротяжные механизмы), конвейеры и подъемники.

Прочие возможные положительные эффекты использования приводов с переменной скоростью включают:

•расширение диапазона возможных режимов эксплуатации исполнительного устройства;

•изоляцию двигателей от сетей, что может способствовать более стабильному режиму работы двигателей и повышению КПД;

•возможность точной синхронизации нескольких двигателей;

•повышение скорости и надежности реагирования на изменение рабочих условий.

Приводы с переменной скоростью не являются оптимальным решением для любых условий. В частности, их применение не является оправданным в условиях постоянной нагрузки (например, для дутьевых вентиляторов печей кипящего слоя, компрессоров окислительного воздуха и т.д.), поскольку потери в регулирующем устройстве составляют 3–4% потребляемой энергии (преобразование частоты, корректировка фазы).

3.6.4. Потери при передаче механической энергии

Общая характеристика и производственная информация

(Информация по «Экологическим преимуществам», «Воздействию на различные компоненты окружающей среды», «Применимости», «Экономическим аспектам», «Примерам» и «Мотивам внедрения» для методов повышения энергоэффективности двигателей приведена в разделе 3.6.7).

Передаточные механизмы, включая валы, ремни, цепи и зубчатые передачи, требуют надлежащей установки и технического обслуживания. При передаче механической энергии от двигателя к исполнительному устройству имеют место потери энергии, которые могут варьировать в широком диапазоне, от 0 до 45%, в зависимости от конкретных условий. По возможности следует использовать синхронные ременные передачи вместо клиновидных. Зубчатые клиновидные передачи являются более эффективными, чем традиционные клиновидные. Косозубая цилиндрическая (геликоидальная) передача является значительно более эффективной, чем червячная. Жесткое соединение является оптимальным вариантом там, где его применение допускается техническими условиями, тогда как применения клиновидных ременных передач следует избегать.

224