Анализ методов повышения энергоэффективности электродвигателей в машиностроении

УДК 621.313.333

АНАЛИЗ МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ В МАШИНОСТРОЕНИИ

С.Ф. Золотых, С.В. Рожков, С.В. Лобанова

В данной статье в результате литературно - патентного анализа доступных в настоящее время технологий повышения энергоэффективности электродвигателей, преимущественно применяемых в машиностроении, приведены наиболее хорошо зарекомендовавшие себя и экономически - эффективные методы повышения энергоэффективности электроприводов. Каждый из выбранных методов аргументирован.

Ключевые слова: энергоэффективность, электродвигатель, номинальная мощность, переменная скорость, ремонт, перемотка, передаточные механизмы.

В последнее время во всем мире и в России на фоне кризиса и постоянно растущих цен на энергоресурсы остро встает вопрос о переходе к политике повышения энергоэффективности. На современном этапе экономика России характеризуется высокой энергоемкостью, в 2 - 3 раза превышающей удельную энергоемкость экономик развитых стран. Доля машиностроения в структуре энергопотребления нашей страны составляет в некоторых регионах до 70 %. Именно это обстоятельство позволяет сформулировать важнейшее направление развития производства - энергоэффективность.

Электропривод является одним из основных потребителей электрической энергии. По оценкам специалистов, на электропривод приходится до 70 % всей потребляемой электроэнергии на предприятиях.

Рассмотрим наиболее экономически - эффективные методы повышения энергоэффективности электродвигателей.

1. Использование энергоэффективных электродвигателей.

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 техниче-

130

ское обслуживание;

возрастает устойчивость к тепловым нагрузкам; улучшается способность к работе в условиях перегрузки; возрастает устойчивость к различным нарушениям эксплуатационных условий (повышенному и пониженному напряжению, несбалансированности фаз, искажению формы напряжения и тока); увеличивается коэффициент мощности; снижается уровень шума.

2. Выбор оптимальной номинальной мощности электродвигателей. Очень часто номинальная мощность электродвигателя является избыточной с точки зрения нагрузки - двигатели редко эксплуатируются при полной нагрузке. По данным исследований, проводившихся на предприятиях стран Европейского Союза, в среднем двигатели эксплуатируются при нагрузке, составляющей 60 % номинальной.

Электродвигатели достигают максимального коэффициента полезного действия (КПД) при нагрузке от 60 % до 100 % номинальной (рис. 1).

100 80 ^ 60 сС

§ 40 20 0

0 20 40 60 80 100 Нагрузка, %

Рис. 1. Зависимость КПД электродвигателя от его нагрузки

Индукционные двигатели достигают максимального КПД при нагрузке около 75 % номинальной, и величина КПД остается практически неизменной при снижении нагрузки 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, энергопотреблению этих устройств.

3. Использование электроприводов с переменной скоростью.

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. 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.

4. Использование передач/редукторов с высоким КПД.

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 варьироваться в широком диапазоне, от 0 до 45 %, в зависимости от конкретных условий. По возможности следует использовать синхронные ременные передачи вместо клиновидных передач. 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.

5. Ремонт электродвигателя с обеспечением энергоэффективности или замена на энергоэффективный электродвигатель.

При эксплуатации электродвигателей существует вероятность отказа, в особенности, если мощность двигателя превышает 5 кВт. Нередко та-

кие двигатели ремонтируются несколько раз на протяжении срока службы. Данные испытаний показывают, что некачественный ремонт двигателя может приводить к снижению КПД на 0,5 - 1 %, а в некоторых случаях -на 4 % и более (для старых двигателей).

Выбирая между ремонтом и заменой вышедшего из строя двигателя, следует рассмотреть ряд факторов, включая стоимость электроэнергии, мощность двигателя, средний уровень загрузки, а также время работы (ч/год). Следует уделить должное внимание процессу ремонта и выбору ремонтной организации, которая должна быть авторизована производителем двигателя.

6. Перемотка электродвигателя с обеспечением энергоэффективности или замена на энергоэффективный электродвигатель.

Перемотка двигателей широко практикуется в промышленности. Это более дешевый и во многих случаях более быстрый вариант, чем приобретение нового двигателя. Однако перемотка двигателя может привести к снижению его КПД более чем на 1 %. Следует уделить должное внимание процессу ремонта и выбору ремонтной организации, которая должна быть авторизована производителем двигателя. Дополнительные затраты, связанные с приобретением нового двигателя, могут быстро окупиться вследствие более высокой энергоэффективности, поэтому перемотка может оказаться неоптимальным решением с учетом затрат на протяжении всего срока службы.

Зависимость затрат, связанных с приобретением нового двигателя и перемоткой существующего, от мощности представлена на рис. 2.

1000 900 800 о 700 § 600 3 500 I. 400

$ зот ш 100 а

О 2 4 6 8 Ш 12

Мощность, кВт

Рис. 2. Затраты, связанные с приобретением нового двигателя и перемоткой существующего

Практическая применимость описанных выше методов и экономический эффект от их применения зависят от масштабов и конкретных ус-

ловий предприятия. Выбор мероприятий, одновременно удовлетворяющих критериям практической реализуемости и экономической эффективности, целесообразно осуществлять на основе анализа потребностей предприятия в целом. Этот анализ должен осуществляться силами квалифицированных консультантов в области электроприводов или собственного инженерного персонала предприятия, обладающего надлежащей квалификацией. В частности, тщательный анализ такого рода важен при рассмотрении вариантов, связанных с приводами с переменной скоростью и энергоэффективными двигателями, поскольку при определенных условиях внедрение этих устройств может привести не к энергосбережению, а к дополнительным энергозатратам. Кроме того, важно оценить как предлагаемые планы внедрения новых систем с электроприводом, так и потенциал модернизации существующих систем. Итогом такого анализа должен быть перечень мероприятий, применимых в условиях конкретного предприятия, с оценкой объемов сбережения, затрат и срока окупаемости каждого мероприятия.

Список литературы

1. Данилов О. Л. Энергосбережение в теплоэнергетике и теплотех-нологиях. Москва: Изд. дом МЭИ, 2010. 424 с.

2. Справочный документ по наилучшим доступным технологиям обеспечения энергоэффективности. Русская версия. Москва: Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии, 2009. 455 с.

3. Щелоков Я.М. Энергетическое обследование. Екатеринбург: УрФУ, 2011. 150 с.

Золотых Сергей Фёдорович, канд. техн. наук, доц., Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Рожков Сергей Викторович, асп., rozhkov-uzlv@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Лобанова Светлана Викторовна, канд. техн. наук, доц., Россия, Тула, Тульский государственный университет

ANALYSIS OF METHODS OF IMPROVING ENERGY EFFICIENCY ELECTRIC MOTORS IN MECHANICAL ENGINEERING

S.F. Zolotykh, S. V. Rozhkov, S. V. Lobanova

In this paper, as a result of the patent literature and analysis of currently available technologies to improve energy efficiency of electric motors, mainly used in engineering, are the most well-dawn-mended themselves and cost - effective methods to improve the energy efficiency of electric drives. Each of the chosen methods argued for.

Key words: energy efficiency, electric motor, rated power, variable speed, repair, rewind, transmission gears

Zolotykh Sergey Fedorovich, candidate of technical science, docent, Russia, Tula, Tula State University,

Rozhkov Sergey Viktorovich, postgraduate, rozhko v-uzlvamail. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Lobanova Svetlana Victorovna, candidate of technical science, docent, Russia, Tula, Tula State University

УДК 621.313.333

ОЦЕНКА МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРЕДПРИЯТИЙ

С.Ф. Золотых, С.В. Рожков, С.В. Лобанова

В данной статье в результате литературно - патентного анализа доступных в настоящее время технологий повышения энергоэффективности электроснабжения предприятий, преимущественно в области машиностроения, приведены наиболее хорошо зарекомендовавшие себя и экономически - эффективные методы повышения энергоэффективности электроснабжения предприятий.

Ключевые слова: энергоэффективность, электроснабжение, компенсация реактивной мощности, фильтры гармоник, трансформаторы.

В национальных сетях электроэнергия передается по высоковольтным линиям в виде синусоидальных волн напряжения и силы тока с частотой 50 Гц, причем одновременно передаются три волны (фазы), сдвинутые друг относительно друга на 120 °. Высокое напряжение применяется с целью минимизации потерь при передаче. В зависимости от используемого оборудования, при входе на объект потребителя или вблизи конкретной установки осуществляется понижение напряжения. Как правило, напряжение для промышленных потребителей понижается до 440 В, а для домохозяйств, офисов и т. п. - до 240 В.

Качество электроснабжения и условия использования энергии зависят от различных факторов, включая сопротивление электрических сетей, а также влияние некоторых видов оборудования и использования энергии на характеристики энергоснабжения. В энергетических системах крайне желательны стабильность напряжения, а также отсутствие искажений формы