Оценки эффективности частотно-регулируемых электроприводов

 
 
О. В.  ФËДОРОВ 
 
 
 
 
О Ц Е Н К И   Э Ф Ф Е К Т И В Н О С Т И 

Ч А С Т О Т Н О - Р Е Г У Л И Р У Е М Ы Х 

Э Л Е К Т Р О П Р И В О Д О В 

 

 

 

 

 

 

 

 
 
 
 
Москва 
ИНФРА-М 
2011 

 
УДК 622:621.3 
ББК 33.31 
Ф 33 
 

Рецензент: 
 
доктор технических наук, профессор 
Ю. В.  Шевырев 
 
 
 
 
 
Ф33   Фëдоров, О. В.  Оценки эффективности частотнорегулируемых электроприводов [Текст]: монография / О. В. 
Фëдоров. – М.: ИНФРА-М, 2011. – 144 с. 
 

 

ISBN 978-5-16-012051-5 

 
Для инженерно-технических работников, специализирующихся в области 
электромеханических систем и электросбережения средствами электропривода. 
Может быть использована в учебном процессе соответствующих 
направлениях 
высшего 
профессионального 
образования, 
а 
также 
при 
выполнении соответствующих курсовых и дипломных проектов и работ 
студентами старших курсов. 
 
 
 
 
 
 
УДК 622:621.3 
ББК 33.31 
 
 
 
ISBN 978-5-16-012051-5                                          © Фëдоров О.В., 2011 
 
 
 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
Введение ..................................................................................................6
 
Глава 1. Технологии реализации энергосберегающей политики.......9 
§ 1.1. Потребители электроэнергии...............................................9 
§ 1.2. Тенденции развития электроприводов 
металлургического производства.....................................27
§ 1.3. Перспективы регулируемого электропривода.................28
 
Глава 2. Влияние электропривода с вентильным преобразователем 
на качество электрической энергии.....................................42
§ 2.1. Качество электроэнергии при работе электроприводов 
с полупроводниковыми преобразователями...................42 
§ 2.2. Особенности компенсации реактивной мощности 
в сетях с полупроводниковыми преобразователями......49 
§ 2.3. Улучшение качества электроэнергии 
при работе электроприводов 
с полупроводниковыми преобразователями...................51 
§ 2.4. Методы повышения качества электроэнергии 
при работе частотно-регулируемого 
электропривода переменного тока...................................57 
§ 2.5. Математические модели электротехнических 
комплексов, содержащих электроприводы 
с полупроводниковыми преобразователями...................60 
 
Глава 3. Оценки эффективности частотно-регулируемого 
электропривода в различных технологиях.........................79 
§ 3.1. Оценка спектрального состава тока и напряжения 
электропривода подъемной машины...............................79 
§ 3.2. Оценки свойств надежности электроприводов 
с полупроводниковыми преобразователями...................85 
§ 3.3. Частотно-регулируемый электропривод 
аппаратов воздушного охлаждения установки 
гидроочистки дизельного топлива...................................93 
§ 3.4. Регулируемые электропривода в структуре ТЭЦ............99
§ 3.4.1. Электропривода собственных нужд.........................99
§ 3.4.2. Дутьевой вентилятор котлоагрегата.......................101 

 

§ 3.4.3. Электропривод мазутного насоса...........................105
§ 3.4.4. Электропривод мазутного насоса газовой ТЭЦ....112
§ 3.5. Высоковольтный электропривод блочной 
насосной атомной электростанции.................................113 
§ 3.6. Высоковольтный электропривод водозабора................118 
§ 3.7. Регулируемый электропривод 
в пожарном водоснабжении............................................121
§ 3.8. Определение областей эффективности 
регулируемых электроприводов......................................125
 
Литература..........................................................................................132
 
Приложения 
Приложение А. Список сокращений........................................136 
Приложение Б. Маркировка насосов........................................138
Приложение В. Параметры консольных насосов....................139
Приложение Г. Технико-экономические показатели 
насосов серии Д..............................................140
Приложение Д. Циркуляционный насос АЭС.........................141
Приложение Е. Электродвигатель HRQ3 803-6 
циркуляционного насоса АЭС......................142 
 
 
 
 

 
 
 

5

 

 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Рост эффективности производства связан с развитием и совершенствованием электропривода - главного потребителя электроэнергии в промышленности. В настоящее время на него приходится около 
60 % всей вырабатываемой в стране электроэнергии. Такое соотношение в электропотреблении, по прогнозам Института экономики Российской академии наук, сохранится и в будущем. Динамика потребления электроэнергии рядом отраслей промышленности приводится в 
научной и учебной литературе, а структура ее потребления базовыми 
отраслями машиностроения отражена в отчетах Госкомстата РФ. 
Стоимость собственно электрического хозяйства промышленных 
предприятий составляет 6 – 11 % (включая сооружения), а по отдельным объектам электроемких предприятий достигает 50 %. Однако 
предприятиям не всегда удается эффективно использовать электроэнергию: велики ее потери. Поэтому вопросам правильного формирования электрического хозяйства, с учетом специфики его эксплуатации, уделяется особое внимание. 
На долю электроприводов приходится основная часть общих потерь электроэнергии в системе электроснабжения промышленных 
предприятий. Для современных крупных промышленных предприятий 
потери электроэнергии в электроприводе могут достигать 75 % суммарных потерь в системе их электроснабжения. Поэтому эффективное 
использование электроприводов имеет важное народнохозяйственное 
значение. 
Разнообразие технологических требований к характеру и качеству механического движения предопределяет многообразие электроприводов по исполнению, принципу действия, роду тока, мощности, 
частоте вращения, точности и разнообразию пространственного движения. Подавляющее большинство современных технологических и 
производственных механизмов во всех отраслях народного хозяйства 
предъявляют к электроприводу определенные требования по диапазонам регулирования координат и качеству управления движением или 
вовсе не имеют таковых. Мощность таких электроприводов составляет 
от долей единиц до десятков киловатт, а число их – миллионы. 
Из всей электроэнергии, потребляемой электроприводом в настоящее время, приблизительно 80 % приходится на простейший массовый нерегулируемый электропривод и 20 % – на регулируемый. 

В соответствии с существующей в РФ статистической отчетностью учет производства электродвигателей, входящих в состав регулируемых и нерегулируемых электроприводов, осуществляется по 
двум группам их номинальной мощности (мощностью до 100 кВт и 
выше). В соответствии с этой отчетностью электродвигателей мощностью до 100 кВт промышленностью выпускается в количественном 
выражении около 95 % и лишь около 5 % – выше 100 кВт. 
Электропривод, являясь продукцией машиностроения и входя в 
состав другой продукции различных отраслей промышленности, способствует повышению технической базы машиностроения и в, частности, самого электропривода (рис. В.1). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
        Б А З А 
 
Рис. В.1.   Электропривод  в  экономике  страны 
 

Э Л Е К Т Р О П Р И В О Д

Вибропрессы, 
компрессоры, 
нефтедобывающее 
оборудование, 
транспорт, 
насосы 

Грузоподъемные 
краны, 
вентиляторы, 
воздуходувки, 
жилищнокоммунальное хозяйство 

Оборудование 
военнопромышленного 
комплекса 

Оборудование 
металлургическго 
комплекса, 
трубопроводный 
транспорт 

Электропривод, проходя последовательно этапы проектирования, 
изготовления, обращения и эксплуатации, потребляет все виды ресурсов (материальные, финансовые и трудовые). Особенно велико потребление этих ресурсов при эксплуатации. 
Все отмеченные обстоятельства предполагают необходимость 
правильных оценок выбора электроприводов c позиций служб предприятия, ответственных за их эксплуатацию, из нескольких возможных альтернатив для конкретных производственных механизмов. 
 
 
 

Глава 1.   ТЕХНОЛОГИИ 
РЕАЛИЗАЦИИ  ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЙ  ПОЛИТИКИ 
 
Эволюция человечества напрямую связана с ростом его 
энергетического 
потенциала 
и 
увеличением 
удельной 
энерговооружённости каждого члена общества, именно этот критерий 
является главным критерием прогресса общества. 
Ситуация неизбежного исчерпания в будущем энергоресурсов 
усугубляется 
экспоненциальным 
ростом 
промышленного 
производства. Так, по оценкам ряда учёных в ХХ веке средний 
прирост мировой промышленности составлял 2-кратное увеличение 
каждые 20 лет. При сохранении этой тенденции и существующей 
сегодня энергоёмкости продукции к концу ХХI века потребность в 
энергоресурсах может вырасти более чем в 30 раз по сравнению с 
нынешним их потреблением. 
 
§ 1.1.   Потребители  электроэнергии 
 
Потенциал энергосбережения в России по прогнозным оценкам 
составляет порядка 150 млрд кВт ч. Однако этот потенциал должным 
образом не используется. Российская экономика несет огромные 
непроизводительные потери электроэнергии, вызванные отсутствием 
или несовершенством способов регулирования и оптимизации 
технологических 
процессов 
в 
большинстве 
отраслей 
промышленности, электроэнергетике и коммунального хозяйства. В 
России до 40 % используемых энергоносителей расходуется 
нерационально, причем расход энергии на ВВП в 2,5 - 3 раза выше, 
чем в индустриально развитых странах мира. Поэтому в отличие от 
ориентации 
прежних 
лет 
на 
крупномасштабное 
наращивание 
электроэнергии приоритетом энергетической стратегии России до 
2015 г. является повышение эффективности энергопроизводства и 
энергосбережения. 
В настоящее время электропривод потребляет, по различным 
оценкам, до 60 % всей вырабатываемой в стране электроэнергии. 
Такое соотношение в электропотреблении, по оценкам специалистов 
института экономики РАН, сохранится и в будущем. На долю 
электродвигателей приходится и основная часть общих потерь в 
системе 
электроснабжения 
промышленных 
предприятий. 
Для 
современных 
крупных 
промышленных 
предприятий 
потери 

электроэнергии в приводе могут достигать 75 % суммарных потерь в 
системе 
их 
электроснабжения. 
Поэтому 
вопросы 
энергоэффективности и электросбережения электроприводов имеют 
важное народнохозяйственное значение. 
Распределение электроэнергии потребляемой электроприводами 
по технологическим механизмам характеризуется соотношениями: 
подъемно-транспортные механизмы и машины - 10 %; компрессоры - 
10 %; вентиляторы - 40 %; насосы - 40 %. В основном эти 
электропривода 
являются 
нерегулируемыми. 
Переход 
от 
нерегулируемого к регулируемому электроприводу (РЭП) позволяет 
только от этого мероприятия достигать значительного результата за 
счет более полного использования электропривода и экономии 
электроэнергии до 30 - 40 %. 
Основной целью российской инновационной политики должны 
стать 
изменения 
экономики 
в 
пользу 
наукоемких 
отраслей 
промышленности. При проведении этих изменений должны быть 
реализованы конкретные меры по повышению выживаемости новых 
высокотехнологических 
компаний, 
стимулирование 
закупок 
отечественной высокотехнологичной продукции, продвижение ее 
экспорта 
и 
стимулирование 
инновационной 
деятельности 
в 
контролируемых государством компаниях. 
На рис. 1.1 представлены перспективы приоритетов развития 
федеральных целевых программ (ФЦП) научно-технологического 
комплекса России на период до 2012 года. 
 

Энергетика и 
энергосбережение 
18%

Информационнотелекоммуникационные системы 
8%

 
Рис. 1.1.   Развитие  научно-технологического  комплекса  по  блокам 

Наиболее массовыми электродвигателями являются асинхронные 
двигатели мощностью до 110 кВт, которые широко применяются во 
всех 
отраслях 
экономики 
в 
приводе 
насосов, 
вентиляторов, 
транспортеров, дробилок, воздуходувок, станочного оборудования 
(рис. 1.2). 
В большинстве случаев в этих приводах установлены редукторы, 
имеющие низкое значение КПД. В работе показана необходимость 
разработок эффективных наиболее массовых электродвигателей для 
различных 
отраслей 
экономики 
и 
применения 
для 
них 
преобразователей частоты с целью необходимого регулирования 
скорости исполнительных механизмов. 
 

1

5
2

6

3
4

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0
0,4
1,1
3
5
10
14
30
50
70
90
110

P, кВт

%

 
 
Рис. 1.2.   Относительное  применение 
асинхронных  электродвигателей  по  технологическим  агрегатам 
1 – вентиляторы; 2 – насосы; 3 – транспортеры; 
4 – воздуходувки; 5 – дробилки; 6 – станочное оборудование 
 
Разработками энергоэффективных электродвигателей на базе 
серийных асинхронных короткозамкнутых электродвигателей (АД) 
занимаются многие научные школы, в том числе, научная группа     

О.О. Муравлевой (г. Томск). Повышение коэффициента полезного 
действия эта группа осуществляет за счет массы активных материалов 
(меди) 
при 
неизменной 
поперечной 
геометрии 
двигателя 
(осуществляется увеличение длины двигателя) или переход на 
двигатели с большей высотой оси вращения. В частности, приводятся 
изменение потерь в АД при увеличении расхода активных материалов 
при достижении уровней энергоэффективности EFF1 и EFF2. 
Снижение электрических потерь в АД (рис. 1.3, а) происходит за 
счет увеличения диаметра обмоточного провода фазы статора при 
уменьшении числа витков обмотки фазы статора. Однако с ростом 
номинальной мощности проектируемого энергоэффективного АД 
происходит рост магнитных потерь, что связано с перераспределением 
активной и реактивной составляющей мощностей АД. Таким 
образом, уровень энергоэффективности EFF2 достигается при 
снижении электрических потерь в статоре на 5...28 %, электрических 
потерь в роторе на 6... 15 %, и увеличении потерь в стали около      
1...9 %. Уровень энергоэффективности EFF1 достигается при 
снижении электрических потерь в статоре на 34...55 %, электрических 
потерь в роторе на 26...45 %, и увеличении магнитных потерь в стали 
около 7...48 %. Таким образом, уровень энергоэффективности 
EFF2 достигается при суммарном снижении потерь на 5...21%, a 
EFFl нa 23...44 %. 
 

 
 
а                                                         б 
 
Рис. 1.3.   Изменение  потерь  АД  (а)  и  превышения  температуры 
обмоток  статора  (б)  при  переходе  на  различные  уровни 
энергоэффективности  и  сохранении  поперечной  геометрии