СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЙ ЭЛЕКТРОПРИВОДА С ТОЧКИ ЗРЕНИЯ ИХ ВКЛАДА В СОКРАЩЕНИЕ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ

АННОТАЦИЯ

В данной статье проводится сравнительный анализ технологий электропривода с точки зрения их вклада в сокращение энергопотребления. Изучаются асинхронные двигатели, приводы с постоянными магнитами, синхронные двигатели, инверторные приводы, частотно-регулируемые приводы, сервоприводы и приводы на основе постоянного тока. Анализируется их эффективность, надежность, стоимость эксплуатации и влияние на энергопотребление. Особое внимание уделяется современным тенденциям в развитии электроприводов и их роли в повышении энергоэффективности промышленных систем. Результаты исследования могут служить основой для выбора оптимальной технологии в различных областях применения.

ABSTRACT

This article examines a comparative analysis of drive technologies in terms of their contribution to reducing energy consumption. Asynchronous motors, permanent magnet drives, synchronous motors, inverter drives, variable frequency drives, servo drives, and DC drives are studied. Their efficiency, reliability, operating costs, and impact on energy consumption are analyzed. Special attention is given to current trends in the development of electric drives and their role in increasing the energy efficiency of industrial systems. The research results can serve as a basis for selecting the optimal technology in various application areas.

Ключевые слова: электропривод, асинхронные двигатели, постоянные магниты, синхронные двигатели, инверторные приводы, частотно-регулируемые приводы, энергопотребление.

Keywords: drive technology, asynchronous motors, permanent magnets, synchronous motors, inverter drives, variable frequency drives, energy consumption

Введение

Индустриализация и развитие технологий неразрывно связаны с вопросами оптимизации энергопотребления. В условиях растущих потребностей в энергии и стремительного развития промышленности необходимо постоянное совершенствование систем электропривода (ЭП) для повышения их энергоэффективности.

Цель и задача исследования – выявление особенностей и преимуществ различных технологий электропривода (ТЭП) с точки зрения их воздействия на энергопотребление в промышленных процессах.

Основная часть. Классификация и особенности различных ТЭП

По прогнозам Международного энергетического агентства глобальный спрос на электроэнергию увеличится в среднем на 3,4 % в период с 2024 до 2026 года по сравнению с 2,2 % в 2023 году [1]. Растущая электрификация энергетического сектора свидетельствует о необходимости адаптации промышленных технологий для сокращения энергопотребления и обеспечения целей устойчивого развития.

ЭП представляют собой систему, преобразующую электрическую энергию в механическую для управления движением механизмов. ТЭП, используемые в промышленности, могут быть классифицированы на две основные категории: традиционные (асинхронные двигатели, постоянные магниты) и современные (синхронные двигатели, инверторные приводы, частотно-регулируемые приводы, сервоприводы, приводы на основе постоянного тока). Эта классификация опирается на принципиальные подходы к реализации систем управления двигателями и применяемые технические решения.

Материалы и методы

Традиционные ЭП долгое время оставались основным решением для приведения в действие механических систем в промышленности. Они характеризуются простотой конструкции, надежностью и относительной доступностью (рис.1).

Рисунок 1. Схема ЭП

ЗУ – задающее устройство; СУ – система управления; ИП – источник питания; ЭД – электрический двигатель; МП – механическая передача; РМ – рабочий механизм, ОС – датчики обратной связи [2]

Эффективность и управляемость традиционных ЭП часто ограничены, особенно в сравнении с более современными технологиями, такими как частотно-регулируемые приводы и сервоприводы.

Асинхронные электродвигатели (ЭД) являются одними из наиболее распространенных типов ЭД в промышленности. Они отличаются простотой конструкции, надежностью и невысокой стоимостью (рис.2).

Рисунок 2. Схема асинхронного двигателя:

1-станина; 2-сердечник статора; 3-обмотка статора; 4-клеммная коробка; 5-сердечник ротора; 6-стержни обмотки ротора; 7-короткозамыкающие кольца; 8-вал; 9-подшипник; 10 - подшипниковый щит; 11-вентилятор; 12-крышка вентилятора

Асинхронные ЭД могут работать с широким диапазоном нагрузок и скоростей, что делает их универсальным решением для многих промышленных задач [3]. Они используются для приведения в действие оборудования для смешивания, перемешивания, насосного и компрессорного оборудования, а также для автоматизации производственных линий.

Компания Schneider Electric (Париж, Франция) реализовала проекты по замене устаревших двигателей на современные асинхронные двигатели на производственных объектах. Это привело к снижению энергозатрат и сокращению уровня выбросов CO₂ на 12% в течение 2022 года [4].

Основой ТЭП с использованием постоянных магнитов является магнитное поле внутри двигателя. Это позволяет существенно увеличить КПД и энергоэффективность привода за счет минимизации потерь на магнитопроводе. Особенностью является способность сохранять постоянную силу магнитного поля даже при изменении условий работы двигателя. Это обеспечивает стабильность работы системы и повышает ее эффективность. Применение постоянных магнитов позволяет создавать компактные и легкие ЭД, что особенно важно в условиях, где ограничены размеры и вес устройства.

Среди современных технологий выделяют синхронные ЭД. Они представляют собой электрические машины, в которых скорость вращения ротора синхронизирована со скоростью вращения магнитного поля в статоре (рис.3).

Рисунок 3. Схема работы синхронного двигателя:

СД – синхронный двигатель, РМ – ротор машины, U_B – напряжение

Такие двигатели отличаются высокой эффективностью, точностью управления скоростью и стабильностью работы при различных нагрузках. Они используются в приводах для механизмов точного перемещения, таких как станки с числовым программным управлением, оборудование для изготовления полупроводников и прецизионные механизмы для обработки материалов, в системах энергоснабжения, ЭП для судов, а также в энергетической отрасли, где требуется высокая эффективность и надежность.

Применение синхронных ЭД на горнодобывающих предприятиях «Норникель» позволило сократить потребление электроэнергии и тепла компанией на 1,7% в 2023 году по сравнению с 2018 годом, экономия составила 55,1 ТДж [5].

Внедрение современных технологий помогло сократить энергопотребление ПАО «Северсталь» в 2023 году на 3,6 % по сравнению с 2019 годом [6]

Инверторные приводы используют инверторы для преобразования постоянного тока в переменный, что позволяет точно регулировать частоту и напряжение питания ЭД. Это дает возможность гибкого управления скоростью и крутящим моментом двигателя, что значительно повышает энергоэффективность и производительность оборудования. Инверторные приводы широко применяются в промышленности, особенно в насосах, вентиляторах, компрессорах и других механизмах, требующих переменной скорости работы. Внедрение современных технологий на нефтеперерабатывающих заводах группы компаний «Лукойл» позволило снизить энергопотребление. В 2020 году экономия электрической энергии составила 146 млн кВт-ч, а в 2022 году – 410 млн кВт-ч [7].

Одним из основных преимуществ инверторных приводов является возможность плавного запуска и остановки ЭД, что значительно уменьшает механические нагрузки на оборудование и продлевает его срок службы. Благодаря высокой точности управления инверторные приводы также способствуют улучшению качества продукции и повышению надежности производственных процессов. Современные инверторные приводы оснащены функциями самообучения и диагностики, что позволяет оптимизировать их работу и своевременно выявлять неисправности.

Частотно-регулируемые приводы (ЧРП) представляют собой системы управления, которые позволяют изменять частоту и напряжение переменного тока, подаваемого на ЭД, с целью регулирования скорости вращения. Они состоят из нескольких основных компонентов, включая частотный преобразователь, который осуществляет преобразование напряжения сетевой частоты в переменное напряжение регулируемой частоты.

Преимуществом ЧРП является возможность точного и плавного управления скоростью и моментом двигателя, а также увеличение его энергоэффективности за счет минимизации потерь на различных режимах работы. Примером успешного применения ЧРП является их использование в промышленности для регулирования скорости вращения насосов, вентиляторов, компрессоров и другого оборудования [8]. Например, компания Schlumberger предлагает ряд продуктов и решений для нефтедобывающей отрасли, включая системы управления и мониторинга, которые основаны на ЧРП. Их технологии используются для оптимизации работы скважинных насосов и другого оборудования.

Сервоприводы представляют собой системы управления, оснащенные электрическими приводами, которые обеспечивают высокую точность позиционирования и управления скоростью. Они включают в себя серводвигатель, который обеспечивает механическую мощность, и контроллер, который регулирует его работу на основе обратной связи о текущем положении и скорости. Преимуществами сервоприводов являются высокая динамическая характеристика, точное позиционирование и управление скоростью, а также способность к адаптации к изменяющимся условиям нагрузки и скорости.

Применение сервоприводов в нефтедобывающей отрасли позволяет компаниям повысить эффективность, надежность и безопасность производственных процессов, а также снизить энергопотребление и операционные расходы.

Приводы на основе постоянного тока представляют собой электромеханические системы, где постоянный ток используется для приведения в действие различных механизмов и устройств (рис.4)

Рисунок 4. Схемы включения двигателей постоянного тока:

а – с независимым возбуждением; б – с последовательным возбуждением; М −статор синхронного двигателя; LM − обмотка возбуждения, Rа – сопротивление якорной цепи, Rдоб – добавочное сопротивление 

Системы управления приводами на основе постоянного тока обеспечивают регулировку скорости вращения и направления вращения двигателя, что позволяет эффективно управлять работой механических систем. Они могут быть основаны как на классических регуляторах, так и на современных цифровых технологиях управления.

Результаты и обсуждение

Снижение энергопотребления является важной задачей для промышленных предприятий и организаций, стремящихся к повышению энергоэффективности и снижению операционных затрат [9, 10]. Различные ТЭП способствуют достижению этих целей, предлагая разнообразные способы управления ЭД (таблица 1).

Таблица 1.

Сравнительный анализ ТЭП [11]

С точки зрения автора, проведенный сравнительный анализ показывает, что каждая технология обладает уникальными характеристиками, которые могут существенно влиять на снижение энергопотребления и повышение общей энергоэффективности промышленных предприятий. Это подтверждается опытом компаний, активно внедряющих данные технологии в своих производственных процессах.

Асинхронные ЭД остаются популярными благодаря своей высокой надежности и низкой стоимости эксплуатации. Однако их умеренный коэффициент полезного действия (КПД) ограничивает их использование в условиях, требующих высокой энергоэффективности. В то же время, ТЭП с использованием постоянных магнитов и синхронные ЭД демонстрируют высокий КПД, что значительно снижает энергопотребление. Несмотря на высокие затраты на установку и обслуживание, эти технологии оправдывают себя в долгосрочной перспективе за счет экономии энергии и повышения производительности [12, 13].

Инверторные и частотно-регулируемые приводы обеспечивают гибкость управления и низкое энергопотребление, что делает их привлекательными для применения в различных отраслях. Они способствуют продлению срока службы двигателей и снижению затрат на энергию.

Сервоприводы, отличающиеся максимальной энергоэффективностью и высокой точностью управления. Их высокая стоимость и сложность обслуживания ограничивают широкое использование, но в условиях требующих высокой точности и быстрого реагирования, они незаменимы.

Приводы на основе постоянного тока обеспечивают хороший крутящий момент и управляемость, однако их средний КПД и необходимость регулярного обслуживания делают их менее привлекательными по сравнению с другими технологиями.

Заключение

Анализ различных ТЭП с точки зрения их вклада в сокращение энергопотребления показывает, что каждая из них обладает уникальными характеристиками и преимуществами. Курс на устойчивое развитие и повышение энергоэффективности требует интеграции наиболее подходящих ТЭП в зависимости от специфических условий эксплуатации и финансовых возможностей предприятия. Выбор технологии должен основываться на балансе между необходимой энергоэффективностью, надежностью и стоимостью, что позволит достичь оптимальных результатов в сокращении энергопотребления и улучшении общей производительности.

Список литературы:

1. Electricity Market Report 2023 / International energy agency. – [Электронный ресурс]. – Режим доступа: URL: https://iea.blob.core.windows.net/assets/255e9cba-da84-4681-8c1f-458ca1a3d9ca/ElectricityMarketReport2023.pdf (дата обращения: 18.05.2024)
2. Усынин Ю.С., Сычев Д.А. Основы регулируемого электропривода: учебник для студентов вузов. – Ч: Издательский центр ЮУрГУ, 2021. – 288 с.
3. Жарницкий В.Я., Корниенко П.А., Смирнов А.П. Математическое моделирование тепловых процессов в системе "бетон-грунт" // Природообустройство. – 2022. − № 3. – С. 71-76.
4. Abdullina L.R., Selkin S.S., Zrazhevskiy A.V., Baryshnikov E.S., Selivanova S.V. Calculation of the carbon footprint of industrial hybrid solar - wind turbines // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. – 2022. – Vol. 981. – P. 032090.
5. Отчет об устойчивом развитии 2023 // Норникель. – [Электронный ресурс]. – Режим доступа: URL: https://sr2023.nornickel.ru/climate-change/energy-consumption-efficiency (дата обращения: 28.05.2024)
6. Энергоэффективность // Северсталь. – [Электронный ресурс]. – Режим доступа: URL: https://severstal.com/rus/sustainable-development/energy-efficiency/ (дата обращения: 29.05.2024)
7. Годовой отчет ПАО «ЛУКОЙЛ» за 2022 год. – [Электронный ресурс]. – Режим доступа: URL: https://investonic.ru/wp-content/uploads/2023/05/godovoj-otchet-lukojl-2022.pdf (дата обращения: 30.05.2024)
8. Koshekova B., Klikushin Y., Belosludtsev O., Moldakhmetov S. Search of earthquake precursors basing on FRaSH method for identification measurements of seismographic records // ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences. – 2019. – Vol. 14. – № 1. – P. 141–147.
9. Константинов Д.С. Перспектива внедрения инновационных изоляционных материалов для повышения энергоэффективности холодильников // Universum: технические науки: электрон. научн. журн. – 2024. – № 3(120). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/17040 (дата обращения: 01.06.2024).
10. Константинов Д.С., Андреева В.С. Анализ жизненного цикла холодильного оборудования: повышение устойчивости эксплуатации и оптимизация эксплуатационных затрат // Наукосфера. – 2024. – № 1.
11. Ainakulov Z., Pirmanov I., Koshekov K., Zuev D., Kurmankulova G. Risk Assessment of the Operation of Aviation Maintenance Personnel Trained on Virtual Reality Simulators // Transport and Telecommunication. – 2022. – Vol. 23. – № 4. – P. 320–333.
12. Bukhtueva I. The Impact of AI Technologies on Business Performance // Vestnik nauki. – 2024. – № 3 (72). – Vol. 5. – P. 467–476.
13. Малыхин Н.И. Оптимизация производительности с помощью Hibernate Cache: стратегии, преимущества и проблемы // Актуальные исследования. – 2021. – № 31(58).