Повышение производительности промышленных установок применением энергосберегающих технологий

АННОТАЦИЯ

В статье рассмотрены вопросы энергосбережения, снижение потерь активной мощности за счёт применения новых серий асинхронных двигателей в электроприводах производственных механизмов, дан сравнительный анализ энергетических показателей стандартных и новых серий асинхронных двигателей. В статье также приведены перспективные направления систем автоматического регулирования координат электроприводов, которые способствуют повышению производительности производственных механизмов.

ABSTRACT

The article discusses energy saving, reducing active power losses due to the use of new series of induction motors in electric drives of production mechanisms, gives a comparative analysis of the energy performance of standard and new series of induction motors. The article also presents promising areas of automatic control of the coordinates of electric drives, which contribute to increasing the productivity of production mechanisms.

Ключевые слова: Энергосбережение, электропривод, преобразователь частоты, оптимальное управление, энергетические показатели, рабочий орган производственного механизма, энергоэффективность, системы управления, коэффициент полезного действия, коэффициент мощности, электропривод с подчинённым регулированием координат.

Keywords: Energy saving, electric drive, frequency converter, optimal control, energy performance, working body of the production mechanism, energy efficiency, control systems, efficiency, power factor, electric drive with subordinate coordinate control.

С развитием технического процесса возникает потребность автоматизации и механизации технологических процессов производства, что в свою очередь приводит к повышению спроса в потребности электрической энергии. С каждым днём это потребность растёт не только в промышленном производстве, но и в сельском хозяйстве, а также в сфере обслуживания. Но запасы энергетических ресурсов, каковыми являются газ, нефть и уголь не безграничны. Кроме этого добыча и переработка этих видов топлива требует колоссальных затрат.

В настоящее время основой энергосберегающих технологий являются управляемые преобразователи постоянного и переменного тока, системы управления которых основано на микропроцессорном управлении.

Более 60% электрической энергии, вырабатываемая во всём мире, преобразуется в механическую энергию в асинхронных двигателях. Вместе с этим развитие преобразовательной техники, появление транзисторов, работающих при больших токах и напряжениях, а также широкое применение микропроцессорных систем управления резко сужают области применения электрических приводов постоянного тока. Также известно, что асинхронные двигатели просты в конструкции и в три раза дешевле чем двигатели постоянного тока[ 3]

Повышение производительности промышленных установок возможна применением эффективных способов регулирования скорости электроприводов. Регулирование скорости асинхронных двигателей осуществляется изменением напряжения, подаваемого в цепь статора, изменением числа пар полюсов, введением в цепь ротора добавочного сопротивления, изменением частоты питающего напряжения (тока). Из этих способов регулирования самым экономичным и эффективным является частотное регулирование скорости асинхронных двигателей и этот способ широко применяется во всём мире.

В настоящее время можно выделит следующие перспективные направления систем автоматического регулирования координат электроприводов:

• Система подчинённого контурного регулирования – регулирование отдельной координаты (момента, тока, скорости и т.д.) с помощью отдельного регулятора, этим обеспечивается высокая точность и повышенная производительность.
• Система числового программного управления – быстрое истечение технологических процессов, снижение потерь мощности и повышение энергоэффективности.
• Использование энергосберегающей элементной базы – асинхронные двигатели новых серий А5, А6, А7, синхронных двигателей на основе постоянных магнитов, вентильные двигатели. Применение этих элементов обеспечивает надёжность, качество работы и долговечность.
• Энергоэффективные статические преобразователи – тиристорные регуляторы напряжения, преобразователи частоты и др.
• Энергосберегающие способы управления – системы широтно-импульсного регулирования и моделирования. [ 1]

Примерами таких технических разработок являются изделия следующих зарубежных производителей: SOLCON (Израиль), TOSHIBA (Япония), SIEMENS (Германия), DELTA (Китай), ABB (Европа) и др.

При проектировании асинхронных двигателей с наименьшими потерями мощности требуется решать сложные и противоречивые задачи:

• уменьшение активного сопротивления обмоток статора за счёт увеличения поперечного сечения проводников и тем самым снизить потери мощности в обмотках статора. Но с другой стороны увеличение сечения проводников обмоток приводит к увеличению габаритов двигателя;
• снижение потерь активной мощности в обмотках статора за счёт уменьшения числа активных проводов в пазах статора. Недостатком этого способа является увеличение пускового тока за счёт увеличения магнитной индукции, что приводит к понижению коэффициента мощности. Но с другой стороны оптимальное уменьшение числа обмоток способствует повышению к.п.д. двигателя;
• увеличение воздушного зазора между статором и ротором приводит к уменьшению потерь мощности, вызванные высокочастотными гармониками магнитного поля. Но увеличение воздушного зазора приводит к снижению коэффициента мощности;
•  применение электротехнической стали с большим содержанием кремния в сердечниках способствует к уменьшению потерь на гистерезис, магнитное сопротивление такой стали намного больше чем у углеродистой стали. Недостаток – понижается коэффициент мощности двигателя;
• применение тонкостенных стальных листов в сердечниках двигателей уменьшают потери мощности от вихревых токов;
•  применение стержней большого сечения в короткозамкнутых асинхронных двигателях приводит к увеличению их проводимости, что в свою очередь снижаются потери активной мощности в роторе двигателя. Недостаток – крутящий момент и напряжение при пуске снижаются до такой величины, вследствие чего двигатель не сможет достичь номинальной скорости;
• устранение несовместимости пазов ротора приводит к снижению добавочных потерь мощности, но устранением этой несовместимости повышается шумность работы двигателя до 2-5 дБ[ 2]

В настоящее время фирмой TOSHIBA (Япония) разработаны новые серии трёхфазных асинхронных двигателей с высокими энергетическими показателями. В этих двигателях использованы электротехническая сталь высокого качества и изоляционные материалы с улучшенными свойствами, у них хорошие пусковые и рабочие характеристики, относительно уменьшены габаритные размеры и вес. Отличительной особенностью новых серий асинхронных двигателей в том, что у них потери мощности на 10-20% меньше чем у стандартных двигателей (рис.1).

Рисунок 1. Диаграмма потерь мощности стандартных (1) и новых (2) серий асинхронных двигателей

Для уменьшения потерь мощности в статоре, роторе и сердечнике использованы электротехническая сталь высокого качества и увеличен коэффициент заполнения пазов статора, тем самим увеличена площадь поперечного сечения сердечника, что в свою очередь снижены потери мощности на 8%. В новых сериях АД за счёт применения изоляционных материалов, изготовленных по инновационным технологиям, добавочные потери уменьшены на 7%.

Ниже 1-таблице приведены сравнительные показатели потерь мощности стандартных и новых серий асинхронных двигателей.

Таблица 1.

Сравнительные показатели потерь мощности стандартных и новых серий асинхронных двигателей

Во 2-таблице показаны сравнительные энергетические показатели стандартных и новых серий асинхронных двигателей.

Таблица 2.

Сравнительные энергетические показатели стандартных и новых серий асинхронных двигателей

Таким образом применение новых серий асинхронных двигателей намного повышают производительность производственных механизмов, что положительно сказывается на качестве и себестоимости продукции.

Список литературы:

1. Бердиев У.Т., Пирматов Н.Б. Электромеханика. – Т. Шамс-ASA, 2014.
2. Г.Б. Онищенко, Электрический привод. – М. Академия, 2006.   
3. A.A. Khashimov, I.K. Pampias, Energy saving Solid State Drives. Asynchronous Motors for Technological Machines and Installations; ISBN 978-960-93-3063-3, Athens, 2011