Энергосбережение в электродвигателях: с чего начать в цепочке потерь?

Вытяжной вентилятор 37 кВт работает 6000 часов в год с наполовину закрытой заслонкой на выходе. А на совещании по бюджету обслуживания обсуждается замена двигателя с IE3 на IE4. Если сделать расчёт, картина становится интересной: смена класса двигателя даёт экономию в несколько тысяч кВт·ч в год, тогда как открытие заслонки и снижение частоты вращения вентилятора по потребности на том же двигателе может дать в десять с лишним раз больше. Большинство предприятий, ищущих экономию, начинают с двигателя; однако основная часть потерь возникает до и после двигателя.

Поэтому энергию нужно рассматривать как цепочку: питание из сети, сам двигатель, элементы передачи мощности, приводимая машина и, наконец, работа, требуемая от машины. Потери каждого звена различны по величине, различна и стоимость их устранения. Ниже мы рассматриваем эти звенья, начиная с того места, где обычно скрыт наибольший выигрыш.

Сначала измерения: какой двигатель сколько потребляет?

Знать, сколько двигателей на предприятии, — одно, а знать, какие из них формируют счёт, — совсем другое. Для начала достаточно простого списка: мощность двигателя, годовая наработка и рабочий ток, измеренный токоизмерительными клещами. Сравнение тока по табличке с измеренным током показывает примерный коэффициент нагрузки двигателя. Произведение этих трёх величин даёт грубый балл приоритета: пожарный насос мощностью 45 кВт, работающий 300 часов в год, оказывается в конце списка, а вентилятор градирни мощностью 11 кВт, работающий в три смены, поднимается наверх.

Решения, принимаемые без измерений, обычно направлены на заметный двигатель: самый большой, самый шумный или самый старый. Когда же список составлен, видно, что большую часть потребления формирует небольшое число постоянно работающих насосов, вентиляторов и компрессоров. Чтобы понять, при какой нагрузке в процентах реально работает двигатель, обратитесь к статье о коэффициенте нагрузки двигателя и правильном подборе типоразмера.

Наибольшие потери — в самой работе: дросселирование, холостой ход, избыточное давление

Если расход насоса регулируется прикрытием задвижки или расход вентилятора — закрытием заслонки, двигатель продолжает вращаться с полной частотой, а избыточно созданное давление превращается в тепло на задвижке. У центробежных насосов и вентиляторов мощность изменяется примерно пропорционально кубу частоты вращения. Снижение частоты вращения до 80 % в идеальных условиях уменьшает необходимую мощность примерно вдвое (0,8³ ≈ 0,51). При высоком статическом давлении в системе это соотношение менее благоприятно, но в большинстве систем вентиляции и циркуляции выигрыш всё равно велик.

Вернёмся к вентилятору из начала статьи. Пусть половину года, то есть 3000 часов, когда достаточно 80 % расхода, вентилятор дросселируется заслонкой. Вентилятор, потребляющий на валу около 29,6 кВт, при снижении частоты вращения до 80 % с помощью преобразователя частоты на бумаге требует на 3000 × 29,6 × 0,49 ≈ 43 500 кВт·ч энергии меньше. Потери привода и характеристика системы уменьшают это число, но оно всё равно остаётся намного выше выигрыша, ожидаемого от смены класса двигателя. Расчётную сторону вопроса подробно вы найдёте в статье о VFD и законах подобия.

В этом же разделе есть ещё две часто упускаемые ситуации:

• Двигатели, работающие вхолостую. Конвейер, работающий без нагрузки во время перерыва, мешалка, работающая в ожидании продукта, или компрессор, работающий без нагрузки, когда нет потребности в воздухе, продолжают потреблять мощность на намагничивание и трение. Остановка по таймеру или по сигналу уровня — чаще всего мера, не требующая инвестиций.
• Завышенная уставка. Давление в линии сжатого воздуха на несколько бар выше необходимого, целевая температура охлаждающей воды ниже потребной — всё это означает, что двигатель работает дольше и с большей нагрузкой.

Важно различать, при какой нагрузке привод полезен: при нагрузках с постоянным моментом, таких как конвейер, снижение частоты вращения уменьшает мощность лишь пропорционально частоте вращения, кубический закон здесь не действует.

Мощность, теряемая между двигателем и машиной

Элементы передачи мощности — скрытые источники потерь. Ослабленный клиновой ремень проскальзывает и нагревается, перетянутый ремень нагружает подшипники. Несоосная муфта создаёт и дополнительное трение, и преждевременный износ подшипников. У червячных редукторов КПД заметно падает с ростом передаточного числа; разница между червячным редуктором с большим передаточным числом и цилиндрическим (косозубым) редуктором в постоянно работающем приводе может быть больше, чем разница классов двигателя. При выборе редуктора, помимо передаточного числа, необходимо проверять по таблице моделей и значение КПД.

Ещё одна возможность в ременных приводах — регулировка частоты вращения шкивом. Если вентилятор вращается быстрее, чем нужно, а расход никогда не меняется, исправление передаточного отношения шкивов вместо установки привода может оказаться более дешёвым решением. Расчёт мы показали на примерах в статье о регулировке скорости с помощью шкивов и ремня.

Собственные потери двигателя: класс, коэффициент нагрузки и история обмотки

Со стороны двигателя задаются три вопроса. Первый — класс энергоэффективности. Согласно IEC 60034-30-1, для 4-полюсного двигателя 37 кВт предельное значение КПД составляет 93,9 % в IE3, 95,2 % в IE4 и 96,1 % в IE5. В вентиляторе из начала статьи, где двигатель отдаёт на вал около 29,6 кВт, использование IE4 вместо IE3 по грубому расчёту с КПД при полной нагрузке снижает потребляемую из сети мощность примерно на 0,43 кВт; за 6000 часов это около 2600 кВт·ч. Для постоянно работающего двигателя это ощутимый выигрыш, но он мал по сравнению с возможностями на стороне процесса. Когда окупаются инвестиции, мы рассчитали в зависимости от наработки в статье о выборе между IE3 и IE4.

Второй вопрос — коэффициент нагрузки. КПД асинхронных двигателей выше примерно половинной нагрузки изменяется довольно мало, а при очень низких нагрузках заметно снижается, ухудшается и коэффициент мощности. Замена большого двигателя, работающего при нагрузке 30 %, на меньший улучшает и КПД, и cos φ; попытка же уменьшить двигатель, работающий при нагрузке 70 %, чаще всего несёт больше риска, чем выгоды.

Третий вопрос — история двигателя. У двигателя, перематывавшегося несколько раз, сталь которого при перемотке была перегрета, потери могли возрасти. Учесть энергетическую сторону при решении, перематывать ли вышедший из строя двигатель, поможет статья «Перемотка или новый двигатель?».

Качество питания и реактивная мощность

КПД на заводской табличке двигателя указан для питания симметричным напряжением номинального значения. Небольшая несимметрия напряжения между фазами вызывает в несколько раз большую несимметрию тока и дополнительный нагрев обмотки. Напряжение заметно ниже номинального также увеличивает ток. Ослабленные соединения в шкафу и нагретые контакты контакторов дают тот же эффект локально; ежегодное обследование шкафов тепловизором выявляет их.

Коррекцию коэффициента мощности часто преподносят как статью экономии, но здесь нужно правильно разграничивать. Компенсация снижает штрафы за реактивную энергию и ток в кабелях; однако она не меняет активную энергию, которую двигатель расходует на совершаемую на валу работу. Реактивная статья в счёте уменьшается, потребление двигателя в кВт·ч остаётся прежним.

Как закрепить достигнутый результат

Часть внесённых улучшений со временем сходит на нет: задвижку снова прикрывают, таймер отключают, натяжение ремня не контролируют. В качестве меры раз в три месяца измеряйте и записывайте ток двигателей из списка приоритетов в одной и той же точке — это рано выявит изменения. Нужно также установить правило для двигателя, устанавливаемого при отказе: в постоянно работающем применении вместо того, чтобы ставить то, что есть на складе, заранее определите резервный двигатель по классу энергоэффективности и мощности — это изначально снизит потребление в последующие годы.

Заключение

В энергетическом расчёте важна последовательность. Сначала измеряется, какие двигатели формируют счёт, затем проверяется, действительно ли нужна работа, требуемая от машины, после этого контролируются элементы передачи и питание; класс энергоэффективности двигателя — последнее, но долговременное звено этой цепочки. Если вы рассматриваете переход на высокий класс энергоэффективности для постоянно работающих двигателей насосов, вентиляторов и компрессоров, варианты можно посмотреть на странице высокоэффективные электродвигатели IE4, а ваше применение — оценить вместе с нашей технической командой.

Часто задаваемые вопросы

С какого двигателя начать работу по энергосбережению?

Начните с двигателей с наибольшими мощностью, годовой наработкой и измеренным коэффициентом нагрузки. Обычно в начале списка оказываются постоянно работающие насосы, вентиляторы и компрессоры; большие двигатели, работающие редко, дают меньший выигрыш, чем ожидается.

Даёт ли экономию энергии установка преобразователя частоты на каждый двигатель?

Нет. Привод даёт выигрыш в применениях, где расход или скорость действительно меняются, особенно у центробежных насосов и вентиляторов. На двигателе, который должен постоянно работать на полной частоте вращения, привод добавляет собственные потери и может несколько увеличить потребление.

Снижает ли компенсация потребление двигателя?

Компенсация снижает плату за реактивную энергию и ток в кабеле, но не меняет потребление двигателем активной энергии. Реактивная статья в счёте уменьшается; кВт·ч, соответствующие работе двигателя на валу, остаются прежними.

Имеет ли смысл заменить работающий двигатель IE3 на IE4?

Замена исправно работающего двигателя только ради класса энергоэффективности быстро окупается лишь при очень большой наработке. На большинстве предприятий практичнее вводить высокоэффективный двигатель при отказе или при плановой замене.