Электродвигатели и электроприводы

Энергетическое обследование электродвигателей и электроприводов позволяет установить, как фактическое потребление электроэнергии связано с механической нагрузкой, рабочей точкой оборудования, продолжительностью холостого хода и способом регулирования производительности. Главная задача — определить, какая часть электрической энергии необходима для выполнения технологической операции, а какие режимы требуют дополнительной проверки.

Электродвигатель не потребляет одинаковую мощность во всех условиях эксплуатации. Его электрическая нагрузка зависит от момента сопротивления, частоты вращения, характеристик механизма и режима управления. При этом электропривод может продолжать потреблять электроэнергию даже тогда, когда связанное с ним оборудование временно не выполняет основную полезную операцию.

Поэтому оценивать энергоэффективность электропривода только по паспортной мощности двигателя, времени включения или общим показаниям электрического счётчика недостаточно. Необходимо сопоставить электрические измерения с фактической механической нагрузкой, производительностью оборудования и продолжительностью характерных режимов.

При энергетическом обследовании электродвигателей и электроприводов в Тамбове и Тамбовской области состав проверки определяется назначением механизмов, схемой электроснабжения, установленными средствами управления и доступностью эксплуатационных данных. Наличие технических неисправностей, необоснованного холостого хода и возможности уменьшения энергопотребления устанавливается по результатам измерений.

Что входит в энергетическую модель электропривода

Электропривод представляет собой систему, обеспечивающую преобразование электрической энергии в механическое движение и управление этим движением. В зависимости от исполнения он включает электродвигатель, устройства питания и управления, механическую передачу и связанный рабочий механизм.

Энергетическое обследование должно учитывать не только электродвигатель, но и условия, в которых он выполняет свою функцию.

В рассматриваемой системе выделяются следующие составляющие:

• Электрическая энергия на входе. Поступает к двигателю и связанным устройствам управления в установленной измерительной границе.
• Преобразование энергии в электродвигателе. Часть поступающей энергии преобразуется в механическую, а часть связана с физическими потерями при работе машины.
• Механическая передача. При наличии редукторов, ременных и других передач учитывается их влияние на передаваемую мощность.
• Полезная механическая нагрузка. Определяется фактической работой насоса, вентилятора, компрессора, транспортёра или другого приводимого механизма.
• Устройства регулирования. При наличии преобразователей частоты, пускорегулирующей аппаратуры и других средств управления учитывается их собственное потребление и влияние на режим двигателя.
• Время эксплуатации. Суммарная энергия определяется мощностью и продолжительностью соответствующих рабочих состояний.

Например, электрическая мощность на входе электропривода может измениться не только вследствие изменения характеристик самого двигателя, но и из-за изменения сопротивления рабочей машины.

Для насосной установки причиной может быть изменение гидравлического режима. Для вентилятора — изменение аэродинамического сопротивления системы. Для транспортёра — изменение массы перемещаемого материала и условий его движения.

Поэтому электропривод нельзя оценивать независимо от механизма, который он обслуживает.

Рабочая точка электропривода: почему она определяет потребление

Рабочая точка — это фактическое сочетание параметров, при которых электропривод и связанный механизм работают под определённой нагрузкой.

Для электродвигателя существенны частота вращения, момент на валу и передаваемая механическая мощность. Для приводимого оборудования дополнительно учитываются параметры, характеризующие выполняемую технологическую операцию.

Например:

• Насос. Рабочая точка связана с расходом перекачиваемой жидкости и создаваемым напором.
• Вентилятор. Существенны расход воздуха и создаваемое давление.
• Компрессор. Учитываются производительность, параметры всасывания и нагнетания, а также режим регулирования.
• Транспортирующий механизм. Анализируются количество перемещаемого материала, скорость движения, сопротивление механизма и продолжительность работы.
• Технологический привод. Оцениваются механическая нагрузка и параметры конкретной операции, которую выполняет оборудование.

Одинаковая паспортная мощность двигателей не означает одинакового фактического потребления. Два двигателя могут иметь сопоставимые номинальные характеристики, но работать при существенно различающихся механических нагрузках.

Также изменение электрической мощности не всегда свидетельствует об изменении эффективности двигателя. Оно может отражать изменение полезной работы.

Для установления причины необходимо одновременно измерить электрические параметры и определить фактическую рабочую точку механизма.

Почему паспортная мощность двигателя не равна его фактическому потреблению

В технической документации электродвигателя обычно указывается номинальная мощность, характеризующая предусмотренный режим работы машины. Для распространённых промышленных двигателей эта величина относится к механической мощности на валу, а не непосредственно к электрической мощности, потребляемой из сети.

Фактическая электрическая мощность зависит от механической нагрузки и эффективности преобразования энергии в текущем режиме.

При энергетическом обследовании важно различать:

• Номинальную мощность. Паспортную характеристику двигателя.
• Входную активную мощность. Фактическую мощность, потребляемую из электрической сети.
• Механическую мощность на валу. Мощность, передаваемую приводимому оборудованию.
• Коэффициент полезного действия. Отношение полезной механической мощности к потребляемой активной мощности в соответствующем режиме.
• Потреблённую электроэнергию. Интегральную величину, учитывающую изменение мощности во времени.

Например, двигатель с высокой номинальной мощностью может значительную часть времени работать при небольшой механической нагрузке. Расход электроэнергии в этом случае будет определяться фактическим режимом, а не простым произведением номинальной мощности на число часов включения.

Если двигатель работает с переменной нагрузкой, для точной оценки необходимо использовать профиль активной мощности либо обоснованное распределение времени по характерным режимам.

Расчёт по установленной мощности без анализа нагрузки способен существенно исказить энергетический баланс.

Холостой ход: где возникает потребление без основной полезной операции

Холостой ход — режим, при котором электродвигатель работает, но приводимый механизм не выполняет основную полезную технологическую операцию либо выполняет её без предусмотренной рабочей нагрузки.

При холостом ходе электропривод не обязательно перестаёт потреблять электроэнергию. Энергия может расходоваться на поддержание вращения, преодоление механических сопротивлений и покрытие потерь в двигателе и связанных элементах.

Для обследования важно различать несколько ситуаций:

• Технологически необходимый холостой ход. Может возникать при подготовке оборудования, завершении операции или предусмотренной последовательности работы.
• Работа в ожидании. Механизм сохраняет готовность к выполнению следующей операции.
• Работа при отсутствии материала. Например, транспортирующая установка продолжает движение без фактического перемещения продукции.
• Периоды между производственными циклами. Основная нагрузка отсутствует, но двигатель остаётся включённым.
• Переходный режим. Электропривод временно работает с изменяющейся нагрузкой во время запуска, остановки или переключения оборудования.

Эти состояния необходимо анализировать отдельно.

Например, транспортёр может продолжать работать после прекращения подачи материала, чтобы завершить перемещение оставшейся продукции. Такой период нельзя автоматически считать необоснованным.

Но если работа продолжается значительно дольше необходимого технологического интервала, появляется основание проверить организацию управления.

Для вывода необходимо знать фактическую продолжительность холостого хода, потребляемую мощность и технологические ограничения на отключение оборудования.

Как определить энергетические затраты холостого хода

Потребление электроэнергии в режиме холостого хода определяется фактической активной мощностью и временем работы в этом состоянии.

Для количественной оценки недостаточно знать только паспортную мощность электродвигателя или количество часов его включения.

Проверка выполняется последовательно:

1. Устанавливают, какие состояния оборудования относятся к холостому ходу в конкретном технологическом процессе.
2. Определяют фактическую продолжительность таких состояний.
3. Измеряют активную мощность электропривода в соответствующем режиме.
4. Проверяют работу связанных устройств управления и вспомогательных механизмов.
5. Определяют, какая часть холостого хода технологически необходима.
6. Оценивают потребление только в тех интервалах, для которых подтверждены условия работы.
7. Проверяют возможность изменения режима без нарушения технологических требований.

Например, если привод работает без производственной нагрузки, это может формировать измеряемое потребление электроэнергии. Однако потенциальная экономия не равна автоматически всему расходу за такой период.

Часть времени может быть необходима для обеспечения последовательности операций, предотвращения нежелательных переходных процессов или поддержания предусмотренной готовности оборудования.

Поэтому сначала определяют технически допустимую продолжительность работы, а затем рассчитывают энергетический эффект возможного изменения.

Как способ регулирования влияет на электропотребление

Способ регулирования определяет, как электропривод изменяет свою работу при изменении потребности технологического процесса.

Различные методы управления могут обеспечивать одинаковый производственный результат при неодинаковом энергетическом потреблении. Однако характер различий зависит от типа нагрузки и характеристик оборудования.

При энергетическом обследовании рассматриваются следующие варианты, если они применяются на конкретном объекте:

• Работа с постоянной частотой вращения. Производительность механизма может изменяться другими средствами, предусмотренными технологической системой.
• Регулирование дросселированием. Для отдельных насосных и вентиляционных систем изменение расхода достигается изменением сопротивления сети.
• Изменение частоты вращения. При наличии регулируемого электропривода производительность может корректироваться изменением скорости рабочего механизма.
• Периодическое включение и отключение. Используется в системах, где производительность регулируется временем работы оборудования.
• Ступенчатое управление. Нагрузка может распределяться между несколькими агрегатами или режимами.
• Комбинированное регулирование. Несколько способов используются совместно в зависимости от эксплуатационной потребности.

При этом нельзя утверждать, что один способ регулирования всегда энергетически выгоднее другого.

Например, изменение частоты вращения может уменьшать электрическую нагрузку определённых насосных и вентиляционных систем при снижении необходимого расхода. Но результат зависит от характеристик сети, доли статической составляющей напора, диапазона регулирования и эффективности оборудования.

Для другого механизма зависимость потребляемой мощности от частоты вращения может быть иной.

Поэтому решение о применении регулируемого привода принимается по фактической рабочей точке и профилю технологической нагрузки.

Когда частотное регулирование может уменьшить расход энергии

Преобразователь частоты позволяет управлять скоростью вращения электродвигателя в предусмотренном диапазоне.

Для некоторых типов насосов и вентиляторов изменение скорости может существенно влиять на расход, давление и потребляемую мощность. Однако использовать упрощённые зависимости без проверки реальной системы нельзя.

При обследовании необходимо установить:

• какой механизм приводится электродвигателем;
• как изменяется необходимая производительность;
• какова характеристика рабочей машины;
• каково сопротивление обслуживаемой системы;
• имеется ли постоянная составляющая напора или давления;
• каков фактический диапазон регулирования;
• сколько времени оборудование работает в каждом характерном режиме;
• каковы потери в преобразователе и связанных устройствах;
• сохраняется ли требуемый технологический результат.

Например, если насосная система большую часть времени работает с уменьшенной потребностью в расходе, необходимо проверить, каким способом сейчас обеспечивается это снижение.

Если применяется дросселирование, может возникнуть основание для сравнения существующего режима с вариантом регулирования частоты вращения.

Однако энергетический эффект зависит от реальной характеристики насоса и сети. Нельзя определять его только по доле снижения частоты вращения без соответствующего расчёта.

Также необходимо учитывать собственное энергопотребление преобразователя и допустимость регулирования для электродвигателя и технологического оборудования.

Почему установка преобразователя частоты не гарантирует экономию

Применение регулируемого электропривода имеет смысл тогда, когда изменение скорости позволяет эффективнее обеспечить фактическую технологическую потребность.

Если механизм длительное время работает близко к постоянной номинальной нагрузке, возможности экономии за счёт изменения скорости могут быть ограничены.

Если производительность определяется технологией и практически не изменяется, внедрение дополнительного регулирования также требует отдельного обоснования.

Кроме того, преобразователь частоты сам участвует в энергетическом балансе. Между его входом и выходом существует преобразование электрической энергии, сопровождающееся собственными потерями.

При оценке необходимо учитывать всю систему:

• активную мощность, поступающую из сети;
• потребление преобразователя;
• режим работы электродвигателя;
• механическую нагрузку;
• производительность рабочего механизма;
• продолжительность каждого режима;
• требования к качеству технологической операции.

Например, снижение электрической мощности после уменьшения скорости вентилятора может сопровождаться уменьшением расхода воздуха. Такой результат нельзя считать повышением энергоэффективности, если новый расход не обеспечивает необходимый воздухообмен.

Следовательно, энергетическое сравнение должно выполняться при сопоставимом полезном результате либо с явным учётом изменения технологической нагрузки.

Как построить энергетический баланс электропривода

Энергетический баланс — это количественное сопоставление поступающей энергии с её полезным преобразованием, передачей и потерями внутри выбранной границы.

Для электропривода важно заранее определить, где именно проходит измерительная граница.

Возможны несколько вариантов:

• Электродвигатель. Рассматривается электрическая энергия на входе машины и механическая энергия, передаваемая через вал.
• Регулируемый электропривод. В баланс включается устройство управления и электродвигатель.
• Привод с механической передачей. Дополнительно учитываются энергетические потоки в передаточных элементах.
• Приводимый механизм. Рассматривается полезная нагрузка оборудования и связанные с его работой потери.
• Технологическая установка. Включаются электропривод, рабочая машина и вспомогательные системы в определённых границах.

Например, электрическая мощность, измеренная на входе преобразователя частоты, не равна непосредственно мощности на валу двигателя.

Между этими точками находятся преобразователь, электродвигатель и связанные с преобразованием энергии потери.

Аналогично электроэнергия, потреблённая насосным агрегатом, не полностью преобразуется в полезную гидравлическую энергию перекачиваемой жидкости.

Поэтому результат обследования должен ясно указывать, к какой границе относится каждый показатель мощности и эффективности.

Как электрические потоки связаны с распределительной сетью

Электропривод является конечным потребителем системы электроснабжения. Но измерения на общем вводе могут включать не только его потребление, но и работу других установок и технические потери распределительных элементов.

Например, один распределительный щит может питать несколько электродвигателей, освещение и вспомогательное оборудование. Изменение мощности одного привода в такой ситуации не обязательно соответствует изменению общей нагрузки щита на ту же величину.

Другие потребители могли одновременно изменить свой режим.

При обследовании необходимо установить:

• электрическую схему питания исследуемого привода;
• расположение существующих приборов учёта;
• состав других потребителей на той же линии;
• наличие отдельного измерения мощности электропривода;
• учёт потерь распределительной сети в рассматриваемой границе;
• синхронность измерений на вводе и отдельных отходящих линиях.

Для разграничения нагрузок применяется баланс мощности и сопоставление профилей потребления.

Если общий ввод фиксирует увеличение мощности, а нагрузка исследуемого двигателя не измерялась отдельно, нельзя уверенно утверждать, что причиной стал именно этот привод.

Необходимо либо получить соответствующие измерения, либо установить достаточные эксплуатационные данные для обоснованной оценки.

Как применяется баланс мощности

Баланс мощности — это сопоставление входящих и выходящих мощностей в выбранной электрической границе в конкретный момент или согласованный интервал.

Для анализа электроприводов он помогает определить, какая часть нагрузки распределительного участка относится к исследуемому механизму, а какая формируется другими потребителями.

Проверка включает:

1. Определение границы электрической системы, в которую входит электропривод.
2. Установление всех существенных подключённых нагрузок.
3. Проверку расположения точек измерения мощности.
4. Получение синхронных данных о входящих и отходящих потоках.
5. Сопоставление измерений с фактическими режимами электродвигателей.
6. Проверку возможного влияния других потребителей.
7. Анализ оставшегося расхождения с учётом потерь сети и измерительной неопределённости.

Например, если один из нескольких электродвигателей остановился, а мощность на общем вводе уменьшилась, это может помочь оценить изменение нагрузки системы.

Однако такой способ даёт достоверный результат только при достаточно стабильной работе других потребителей и известной электрической схеме.

Если одновременно изменяется несколько установок, разность общей мощности не позволяет однозначно определить вклад одного двигателя.

Поэтому при сложном режиме предпочтительны прямые измерения отдельных электроприводов либо более детальный технический учёт.

Профили нагрузки: как отличить рабочий режим от холостого хода

Профиль нагрузки показывает изменение активной электрической мощности во времени.

Для электропривода такой профиль может отражать последовательность включения, набора нагрузки, установившейся работы, частичной загрузки, ожидания и остановки.

Однако интерпретировать профиль необходимо совместно с технологическими событиями.

Например, участок графика с небольшой, но устойчивой мощностью может соответствовать холостому ходу механизма. Но аналогичный электрический уровень возможен при выполнении полезной операции с небольшой нагрузкой.

Для различения необходимо знать состояние рабочего оборудования.

При анализе временных рядов устанавливают:

• время включения и отключения привода;
• периоды работы под технологической нагрузкой;
• режимы частичной загрузки;
• фактическую продолжительность холостого хода;
• изменения производительности;
• работу регулирующих устройств;
• пуски и другие переходные состояния;
• одновременную работу смежных потребителей.

Если имеются только месячные показания счётчика, они позволяют оценить суммарный расход в соответствующей границе, но не показывают продолжительность холостого хода конкретного двигателя.

Для такого вывода необходим интервальный профиль либо непосредственная регистрация режимов оборудования.

Какие документы необходимы для обследования электродвигателей

Исходные документы должны позволять определить технические характеристики электропривода, его назначение и связь с электрической и механической системами объекта.

Для обследования используются:

• Схемы электроснабжения. Позволяют установить электрическую границу питания двигателя и состав других потребителей.
• Паспорта электродвигателей. Содержат номинальные характеристики и предусмотренные условия эксплуатации.
• Документация устройств управления. Необходима для проверки способа пуска, регулирования скорости и других режимов.
• Характеристики приводимого механизма. Позволяют установить связь механической нагрузки с технологической производительностью.
• Схемы насосных, вентиляционных и других систем. При наличии соответствующего оборудования помогают определить рабочую точку.
• Архивы электрического учёта. Показывают фактический расход электроэнергии и изменение мощности.
• Эксплуатационные журналы. Фиксируют время работы, остановки, производительность и технологические события.
• Материалы по настройкам регулирования. Используются для проверки предусмотренных алгоритмов управления.
• Результаты ранее выполненных измерений. Позволяют сопоставить показатели при условии известной методики и режима измерений.

Документы не заменяют фактические измерения.

Например, паспорт двигателя позволяет определить его номинальные параметры, но не подтверждает, что он работает при соответствующей нагрузке в момент обследования.

А установленный график управления не доказывает, что оборудование действительно функционирует по этому расписанию.

Для достоверного вывода проектные и паспортные сведения необходимо сопоставлять с фактической эксплуатацией.

Какие инструментальные измерения необходимы

Программа измерений зависит от механизма, который требуется проверить: рабочей точки, холостого хода или способа регулирования.

В зависимости от оборудования могут использоваться:

• Активная электрическая мощность. Показывает фактическую нагрузку электропривода в выбранной измерительной границе.
• Потреблённая электроэнергия. Позволяет оценить затраты за полный технологический период.
• Токи и напряжения. Необходимы для исследования электрического режима двигателя.
• Активная и реактивная составляющие нагрузки. Помогают характеризовать электрические параметры привода и влияние на сеть.
• Частота вращения. Существенна для оценки регулируемых и других приводов.
• Механический момент. При доступности соответствующих измерений позволяет уточнить механическую нагрузку.
• Расход и давление. Используются для анализа насосов и вентиляторов.
• Производительность технологического оборудования. Необходима для сопоставления энергии с полезным результатом.
• Продолжительность режимов. Позволяет определить энергопотребление при холостом ходе, частичной и полной загрузке.
• Параметры устройств управления. Используются для проверки фактического способа регулирования.

Особенно важно синхронизировать измерения.

Например, электрическую мощность насоса нельзя корректно сопоставлять с расходом жидкости, измеренным в другом режиме работы системы.

Аналогично энергопотребление транспортёра за смену не следует напрямую делить на массу материала, перемещённую в другой период.

Если данные относятся к несопоставимым режимам, рассчитанные показатели могут не отражать фактическую эффективность оборудования.

Как выбирать репрезентативные режимы измерений

Репрезентативный режим — это состояние оборудования, достаточно полно характеризующее условия эксплуатации, для которых требуется сделать технический вывод.

Для электропривода необходимо учитывать, что фактическая нагрузка может изменяться в течение производственного цикла.

При обследовании рассматриваются:

• Характерная рабочая нагрузка. Позволяет оценить параметры оборудования в обычных условиях эксплуатации.
• Максимальная эксплуатационная нагрузка. Используется для анализа режима при интенсивной работе механизма.
• Частичная загрузка. Показывает изменение мощности и производительности при снижении технологической потребности.
• Холостой ход. Позволяет определить электрическое потребление при отсутствии основной производственной нагрузки.
• Пусковой режим. Используется для анализа соответствующего переходного процесса при наличии технической необходимости.
• Изменение регулирования. Позволяет сопоставить электрическую мощность с фактическим состоянием рабочего механизма.
• Период остановки. Помогает определить потребление связанных устройств, если часть системы сохраняет питание.

Измерение мощности двигателя при одной рабочей точке не позволяет автоматически оценить его потребление во всех других режимах.

Например, насосный агрегат может работать при различном расходе и напоре в течение суток. Для расчёта энергопотребления необходимо учитывать продолжительность характерных сочетаний этих параметров.

Если фактическая нагрузка изменяется непрерывно, предпочтительны временные ряды, позволяющие проследить зависимость электрической мощности от производственного режима.

Как проверить влияние способа регулирования на энергопотребление

При сравнении способов регулирования необходимо обеспечить сопоставимость полезного результата.

Например, если насос подаёт меньше жидкости после уменьшения частоты вращения, снижение электрической мощности может быть связано прежде всего с уменьшением выполняемой механической работы.

Чтобы оценить энергетическую эффективность регулирования, необходимо установить, соответствует ли новая производительность фактической технологической потребности.

Проверка выполняется последовательно:

1. Определяют характерную потребность технологической системы.
2. Устанавливают фактический способ управления производительностью.
3. Измеряют электрическую мощность в соответствующих режимах.
4. Определяют рабочую точку приводимого механизма.
5. Проверяют продолжительность каждого режима.
6. Формируют энергетическую модель существующего способа управления.
7. При наличии технических оснований рассчитывают альтернативный вариант.
8. Сопоставляют варианты при соблюдении одинаковых технологических требований.

Если оборудование обеспечивает различные полезные результаты, простое сравнение входной мощности недостаточно.

Также необходимо учитывать возможное влияние других систем. Например, изменение расхода одного насоса может повлиять на режим соседнего агрегата или общий гидравлический баланс.

Поэтому сравнение следует выполнять в границах, охватывающих существенные взаимосвязанные энергетические потоки.

Как отличить неэффективность двигателя от особенностей механической нагрузки

Повышенное потребление электроэнергии электроприводом может иметь несколько причин, которые внешне проявляются одинаково.

Увеличилась механическая нагрузка. Электродвигатель передаёт больше мощности приводимому оборудованию. Для проверки необходимы параметры рабочего механизма.

Изменилась рабочая точка. Насос, вентилятор или другая установка функционирует при других расходах, давлениях или технологических характеристиках.

Увеличилась продолжительность работы. Общий расход энергии вырос даже при неизменной мощности в рабочем режиме.

Возросла доля холостого хода. Электроэнергия расходуется в периоды, когда основная полезная операция не выполняется.

Изменился способ регулирования. Электрическая нагрузка может перераспределиться вследствие изменения скорости, режима дросселирования или последовательности включения агрегатов.

Изменилось состояние электродвигателя или механической передачи. Такое объяснение требует проверки соответствующих характеристик и не устанавливается по одному показанию мощности.

Изменилось потребление смежной системы. Если измерения выполнены на общей линии, наблюдаемый рост мощности может быть связан с другим оборудованием.

Имеется измерительная неопределённость. Неполнота данных, несопоставимые интервалы или особенности измерительной схемы могут создавать кажущееся отклонение.

Для установления причины необходимо отдельно проверить электрическую нагрузку, механический режим и границы измерения.

Если эти данные отсутствуют, утверждение о неисправности двигателя или энергетических потерях остаётся гипотезой.

Как оценивать электропривод при переменной производительности

Многие электроприводы работают в условиях, когда потребность технологической системы изменяется во времени.

Например, вентилятор может обеспечивать различный воздухообмен, насос — переменный расход жидкости, а транспортирующий механизм — неодинаковую загрузку материалом.

В такой ситуации одной расчётной точки недостаточно для оценки энергетических затрат за длительный период.

Для построения модели необходимо:

• выделить характерные диапазоны производительности;
• определить электрическую мощность в каждом диапазоне;
• установить способ регулирования;
• учесть продолжительность работы в соответствующем режиме;
• проверить влияние пусков и остановок;
• отделить холостой ход от частичной полезной нагрузки;
• учесть потребление связанных устройств управления;
• сопоставить энергетические затраты с технологическим результатом.

Например, если привод работает большую часть времени с частичной нагрузкой, расчёт его годового потребления по номинальной мощности может быть завышен.

Но если значительная часть времени приходится на холостой ход, простой расчёт по средней производительности также способен скрывать неэффективные режимы.

Поэтому необходимо использовать фактический профиль мощности совместно с данными о работе оборудования.

Как измерительный контур влияет на достоверность выводов

Измерительный контур — совокупность приборов, электрических подключений и границ, через которые определяется потребление электроэнергии.

Для электроприводов он имеет особое значение, поскольку двигатель может быть частью более крупной системы, включающей преобразователь частоты, аппаратуру управления, вспомогательные механизмы и других потребителей.

Например, измерение на общем вводе насосной станции может включать несколько насосных агрегатов и дополнительные инженерные нагрузки.

Если требуется оценить эффективность одного двигателя, такой учёт может оказаться недостаточно детальным.

При проверке устанавливают:

• какое оборудование входит в измерительную границу;
• в какой точке измеряется активная мощность;
• учитывается ли потребление устройства регулирования;
• работают ли одновременно другие потребители;
• согласованы ли временные интервалы энергетических и технологических измерений;
• известны ли характеристики приборов и условия измерений;
• имеются ли пропуски или изменения конфигурации учёта.

Если границы не установлены, нельзя достоверно связывать изменение потребления с конкретным двигателем.

Если измеряются только электрические параметры, оценка механической эффективности ограничена до получения сведений о фактической нагрузке.

Если рабочий режим известен, но отсутствуют измерения мощности, количественная энергетическая оценка также может оставаться предварительной.

Почему изменение мощности не всегда означает изменение энергоэффективности

Одна из наиболее частых ошибок интерпретации — считать снижение активной мощности безусловным улучшением энергетической эффективности электропривода.

На практике мощность может уменьшаться потому, что механизм выполняет меньшую полезную работу.

Например, после снижения скорости транспортёра уменьшается количество перемещаемого материала за единицу времени. Электрическая мощность может снизиться, но для оценки энергоэффективности необходимо проверить расход энергии на соответствующий объём транспортирования и длительность операции.

Аналогично уменьшение мощности вентилятора после сокращения расхода воздуха не доказывает, что система стала эффективнее, если не установлена достаточность воздухообмена.

Для сравнения необходимы показатели, отражающие полезный результат:

• объём перекачанной жидкости;
• количество перемещённого воздуха;
• масса транспортируемого материала;
• выполненная технологическая операция;
• время и условия работы оборудования;
• другие параметры, соответствующие назначению механизма.

Выбор показателя зависит от типа электропривода.

Универсального удельного показателя, одинаково пригодного для всех электродвигателей и рабочих машин, не существует.

Как учитываются реактивная мощность и электрический режим двигателя

Электродвигатели могут формировать активную и реактивную составляющие электрической нагрузки. Их соотношение зависит от конструкции машины и фактического рабочего режима.

Для энергетического обследования важно различать активную электроэнергию, используемую в балансе потребления, и реактивную составляющую электрического режима.

Реактивную энергию нельзя непосредственно считать потерями активной энергии.

Однако изменение реактивной мощности может влиять на токовую нагрузку распределительной сети и связанные с этим технические потери.

Поэтому при анализе электропривода в системе электроснабжения могут проверяться:

• активная мощность;
• реактивная мощность;
• коэффициент мощности;
• токи и напряжения;
• изменение электрических параметров при различных механических нагрузках;
• влияние устройств управления на электрический режим;
• характеристики распределительной линии питания.

Например, изменение коэффициента мощности при частичной загрузке двигателя может сопровождаться изменением токов в питающей линии.

Но величина возможных дополнительных потерь должна определяться отдельно по характеристикам сети и фактической продолжительности режима.

Само изменение коэффициента мощности не доказывает наличие конкретной достижимой экономии.

Как проверить смешанное влияние электропривода и смежных систем

Во многих установках электродвигатель работает не самостоятельно, а совместно с другими агрегатами и устройствами управления.

Например, насосная станция может включать несколько насосов, общие трубопроводы и систему автоматического регулирования. Изменение скорости одного насоса способно повлиять на рабочие точки остальных.

Аналогичная ситуация возможна при совместной работе вентиляторов, компрессоров или транспортирующих механизмов.

Для анализа смешанного влияния необходимо:

1. Определить исследуемый электропривод и его технологическое назначение.
2. Установить общую схему связанного оборудования.
3. Проверить, какие механизмы работают одновременно.
4. Сопоставить изменение электрической мощности с рабочей точкой привода.
5. Определить возможное изменение нагрузки смежных агрегатов.
6. Разделить прямые измерения и расчётные оценки.
7. Установить, какие энергетические потоки необходимо проверить дополнительно.

Если после изменения режима одного двигателя общий расход установки снизился, необходимо проверить, не изменилась ли одновременно производительность всей системы.

Если один агрегат стал потреблять меньше, но другой — больше, локальное снижение мощности не равно уменьшению общего энергопотребления.

Поэтому энергетический эффект необходимо оценивать в границе, охватывающей все существенные взаимодействующие механизмы.

Как определить приоритет технических мероприятий

Выбор мероприятия зависит от подтверждённой причины повышенного потребления.

Если основное отклонение связано с продолжительным холостым ходом, приоритетом может стать проверка последовательности включения оборудования и возможностей изменения управления.

Если проблема заключается в работе насоса или вентилятора вне рационального для фактической системы режима, требуется исследование рабочей точки и характеристик регулирования.

Если установлено изменение электрических параметров двигателя при сопоставимой механической нагрузке, может потребоваться дополнительная проверка технического состояния машины и связанных элементов.

Если общий учёт не позволяет разделить работу нескольких агрегатов, первоначальным решением может стать организация дополнительных измерений.

Если электропривод работает в технологически необходимом режиме, снижение электрической мощности не следует рассматривать как самостоятельную цель без проверки полезного результата.

При выборе мероприятия учитывают:

• фактическую механическую нагрузку;
• длительность характерных режимов;
• подтверждённую величину потребления;
• технологическую необходимость холостого хода;
• применимость альтернативного способа регулирования;
• влияние решения на смежные системы;
• допустимые условия эксплуатации оборудования;
• достоверность исходных измерений.

Например, установка преобразователя частоты может рассматриваться после проверки действительной потребности в переменной производительности. Если же основной источник дополнительного расхода связан с необоснованно длительной работой привода без нагрузки, техническая задача будет иной.

Следовательно, сначала устанавливается энергетический механизм, затем выбирается способ его изменения.

Какие результаты позволяет получить энергетическое обследование

При достаточном объёме исходных данных результатом становится энергетическая модель электропривода, связывающая потребление электроэнергии с рабочей точкой, продолжительностью холостого хода и способом регулирования.

Она позволяет:

• установить электрическую границу исследуемого привода;
• определить фактическую потребляемую активную мощность;
• сопоставить электрическую нагрузку с производительностью механизма;
• выделить характерные рабочие и переходные режимы;
• оценить продолжительность и энергетические затраты холостого хода;
• проверить влияние способа регулирования на потребление;
• разграничить нагрузку двигателя и связанных устройств управления;
• установить влияние смежных механизмов;
• определить достоверность существующего технического учёта;
• выявить режимы, требующие дополнительной проверки;
• подготовить основу для расчёта возможных энергосберегающих мероприятий.

Особенно важно, чтобы итоговые показатели имели определённую измерительную границу.

Например, расход электроэнергии на входе насосной станции и потребление отдельного электродвигателя — разные показатели. Их нельзя подменять друг другом при оценке эффективности.

Если выявлена повышенная нагрузка, результат должен указывать, подтверждено ли её происхождение: механической работой, режимом управления, холостым ходом или влиянием других потребителей.

Если данных для разделения причин недостаточно, результатом становится обоснованная программа измерений, а не утверждение о конкретной неисправности.

Когда выводы об энергоэффективности остаются предварительными

Достоверность энергетического обследования электроприводов зависит от возможности сопоставить потребляемую электрическую мощность с фактической механической нагрузкой.

Если известна только паспортная мощность двигателя, нельзя определить его фактическое энергопотребление за период.

Если имеется архив электрической мощности, но отсутствуют сведения о производительности оборудования, нельзя уверенно оценить изменение технической эффективности.

Если неизвестна продолжительность холостого хода, невозможно достоверно определить соответствующие энергетические затраты.

Если исследуемый электропривод подключён к общему счётчику вместе с другими потребителями, изменение общего расхода нельзя непосредственно отнести к нему.

Если измерения выполнены только в одной рабочей точке, результаты нельзя автоматически распространять на другие нагрузки.

Если отсутствуют сведения о способе регулирования, невозможно полноценно объяснить изменение потребляемой мощности при уменьшении производительности.

Если не проверено влияние смежных систем, локальное снижение энергопотребления может оказаться неравнозначным снижению расхода всей установки.

В подобных ситуациях результат должен различать:

• фактически измеренные электрические параметры;
• подтверждённые характеристики механической нагрузки;
• известные режимы работы оборудования;
• расчётные оценки с обоснованными предпосылками;
• возможные, но не подтверждённые причины отклонений;
• измерительную неопределённость;
• недостающие данные и необходимые дополнительные проверки.

Без достаточных данных о рабочей точке, холостом ходе и регулировании причинный вывод остаётся технической гипотезой.

При этом отсутствие подтверждённых потерь не означает, что электропривод обязательно работает с максимальной эффективностью. Оно указывает на необходимость дальнейшей проверки для получения обоснованного заключения.

Как подготовить электродвигатели и электроприводы к энергоаудиту

Подготовку начинают с определения состава исследуемого оборудования и его технологического назначения.

Необходимо установить, какие электродвигатели входят в обследование, какие механизмы они приводят в движение и где проходят границы электрического учёта.

Затем собирают паспортные характеристики, электрические схемы, документацию устройств управления и эксплуатационные сведения.

Особое внимание уделяется следующим вопросам:

• какова фактическая механическая нагрузка оборудования;
• как изменяется производительность в течение рабочего цикла;
• какие режимы регулирования используются;
• сколько времени двигатель работает на частичной нагрузке;
• существуют ли периоды холостого хода и чем они обусловлены;
• какие связанные устройства потребляют электроэнергию;
• доступны ли интервальные профили активной мощности;
• какие потребители находятся в общей измерительной границе;
• можно ли получить синхронные электрические и технологические измерения;
• какие ограничения существуют на изменение режима оборудования.

После анализа документов выбирают репрезентативные режимы измерений: характерную загрузку, частичную производительность, холостой ход и другие состояния, существенные для энергетического баланса.

Для насосов и вентиляторов необходимо учитывать фактическую рабочую точку. Для транспортирующих механизмов — количество перемещаемого материала и продолжительность соответствующих операций. Для регулируемых приводов — влияние изменения частоты вращения на мощность и полезную производительность.

Если обнаружено отклонение, сначала проверяют изменение механической нагрузки, затем режим управления и влияние других потребителей. Только после этого делают вывод о возможной технической неэффективности электродвигателя.

Измерения и проверки должны выполняться с соблюдением требований безопасной эксплуатации электрического и механического оборудования. Изменять режим действующей технологической установки исключительно ради испытания можно только при подтверждённой допустимости такого изменения.

Главный результат энергоаудита электродвигателей и электроприводов — проверяемая связь между электрической мощностью, фактической рабочей точкой, холостым ходом и способом регулирования. Она позволяет определить, где энергия расходуется на необходимую механическую работу, где требуется дополнительная проверка и какие технические мероприятия можно обосновать.

Такой подход исключает оценку по одной паспортной мощности, произвольное отнесение общего потребления к отдельному двигателю и неподтверждённые обещания экономии от изменения системы управления.

Связанные направления

Общие принципы построения электрического баланса, разграничения конечных нагрузок и проверки достоверности измерений представлены на странице «Электроснабжение и учёт энергоресурсов».

Состав работ по энергетическому обследованию инженерного оборудования рассмотрен в услуге «Энергоаудит инженерных систем».

Подробнее о влиянии загрузки, холостого хода и рабочих режимов на потребление электроэнергии читайте в материале «От чего зависит энергопотребление электродвигателей».