А. Белобородов Новая техника сберегает ресурсы

В конце XX века мировая наука добилась немалых результатов в области энергоресурсосбережения. Одним из достижений стала возможность широкого использования уникального, можно сказать, революционного технического средства — частотно-регулируемого привода (ЧРП). Преимуществом ЧРП является то, что он позволяет экономить и рационально использовать ресурсы — энергетические и материальные. Экономия ресурсов, в свою очередь, ведёт к снижению нагрузки на природу, сдерживая безудержную эксплутацию запасов нефти и снижая ущерб, наносимый климату и чистоте воздуха. ЧРП уже нашёл широкое применение в экономике развитых стран, обеспечивая не только экологическую безопасность, но и принося материальную выгоду.

Достичь минимальных потерь материальных и энергетических ресурсов во всех сферах деятельности — такое требование содержалось в докладе Генерального секретаря ООН Кофи Аннана, подготовленного к Всемирной встрече на высшем уровне по устойчивому развитию в Йоханнесбурге в 2002 г. В этом докладе предлагался план действий, предназначенный для сосредоточения усилий на достижении реальных результатов. Выдержка из пятого пункта плана: «…повысить энергоэффективность путём разработки и применения… энергосберегающих технологий и изменения нерациональных моделей потребления энергии»*.

Примерами нерациональных моделей потребления энергии являются практически все механизмы, изготовленные ранее XXI в. Их конструктивные особенности вели и ведут к гигантским потерям энергии и материалов при эксплуатации. В технических устройствах потери возникают тогда, когда механизм, наряду с полезной работой, вынужден совершать и лишнюю, избыточную работу. Чем менее совершенен механизм, тем больше избыточной работы он совершает и тем больше потерь.

Примерами устройств, совершающих избыточную работу, могут служить обычные бытовые вентиляторы. Самую простую конструкцию имеют односкоростные вентиляторы, частота вращения которых не меняется. Но далеко не всегда от них требуется тот поток воздуха, который они дают. Часто, когда жара ещё небольшая, человеку (потребителю) нужен слабый ветерок, а он получает мощный сквозняк. Чтобы не испытывать дискомфорт и не простудиться, вентилятор отворачивают в сторону так, чтобы человека обдувал лишь край воздушного потока, создавая эффект лёгкого дуновения. При этом основной поток воздуха просто теряется, «вылетает на ветер». Получается, что полезную работу (обдувает человека) совершает лишь малая часть воздушного потока.

Для того чтобы привести воздушные массы в движение, вентилятору нужно израсходовать определённое количество энергии. (Понятно, что если бы он вращался медленнее, создавая лишь лёгкий ветерок, то и энергии расходовал бы, соответственно, во много раз меньше.) Если от количества энергии, которую расходует односкоростной вентилятор, отнять то количество энергии, которое необходимо для обдувания непосредственно человека, то эта разница и составит энергетические потери.

Для снижения энергетических потерь конструкцию вентиляторов усложняют, вводя ступенчатые регуляторы скорости. Это даёт возможность потребителю подбирать наиболее подходящий для него режим работы вентилятора. Ещё больший эффект могут дать бесступенчатые устройства регулирования скорости: они позволяют плавно менять скорость вращения вентилятора в широких пределах, т.е. получать именно такой поток воздуха, который необходим в данных условиях — «здесь и сейчас». При бесступенчатом способе регулирования скорости энергетические потери сводятся к минимуму.

Ещё одним ярким примером механизмов, совершающих большой объём избыточной работы, могут служить двигатели внутреннего сгорания автомобилей. Они у нас в России, как правило, работают даже тогда, когда сам автомобиль стоит, например, у светофора или в дорожной пробке. При этом потребляются топливо, масло, происходит износ двигателя. А КПД всего автомобиля, как технического устройства, в этом случае равен нулю, т.к. он не двигается, не совершает полезной работы.

Если учесть, сколько автомобилей, вентиляторов, насосов, компрессоров и других технически несовершенных агрегатов существует в мире, то становится ясным, почему Генеральный секретарь ООН поставил в ряд наиважнейших задачу по изменению нерациональных моделей потребления энергии.

Одним из путей, ведущих к снижению объёма избыточной (бесполезной) работы, является оптимизация скоростных режимов двигателей, приводящих механизмы в движение. В данном случае под оптимизацией подразумевается то, что двигатель работает только в те моменты, когда это нужно, и с той скоростью, которая необходима для выполнения только полезной работы. При таком режиме и сам двигатель, и весь механизм в целом расходуют минимальное количество энергетических и материальных ресурсов на производство единицы продукции.

Для обеспечения оптимального режима необходимы специальные устройства регулирования скорости, сложность и стоимость которых растут с повышением качества их работы. Получается замкнутый круг: для экономии ресурсов нужны устройства, на изготовление, приобретение и эксплуатацию которых также требуются ресурсы (материальные и финансовые). Чем больше желание сэкономить ресурсов при эксплуатации, тем большую сумму требуется выложить за регулятор скорости лучшего качества. Поэтому довольно часто предпочтение отдаётся более простым и дешёвым устройствам регулирования скорости (или механизмам без подобных устройств) в ущерб сбережению ресурсов при последующей эксплуатации*.

Среди моторов всех видов самыми простыми и дешёвыми являются электродвигатели переменного тока. К тому же они очень экономичны — их КПД может достигать 96%. Поэтому этот вид электродвигателей наиболее распространён во всём мире и широко используется во всех сферах деятельности человечества.

Но до последнего времени не существовало достаточно простых в эксплуатации устройств, предназначенных для регулирования скорости двигателей переменного тока. Общий уровень развития техники, особенно электроники, не позволял создавать регуляторы скорости, удовлетворяющие требованиям эксплуатационников. Те регуляторы, которые существовали, были или слишком громоздкими, или сложными в эксплуатации, или требовали высококвалифицированного обслуживания. Поэтому из-за сложностей, связанных с созданием регуляторов скорости, большинство двигателей переменного тока работало только в односкоростном режиме.

И только в конце XX в. было освоено производство компактных, удобных и простых в эксплуатации специальных устройств, предназначенных для регулирования скорости двигателей переменного тока — «преобразователей частоты». Система, состоящая из преобразователя частоты и двигателя переменного тока, называется «частотно-регулируемый привод» (ЧРП).

ЧРП даёт возможность механизму работать на нужных скоростях с минимальными затратами ресурсов. Применение ЧРП позволяет экономить электроэнергию; плавно (без ударов и рывков) регулировать скорость в широком диапазоне; получать отличные динамические характеристики (разгон и торможение).

Технико-экономические показатели ЧРП во многом превосходят характеристики аналогичных систем, в которых используются двигатели постоянного тока или где двигатель переменного тока работает в односкоростном режиме. Кроме того, сам ЧРП потребляет минимальное количество энергии на собственные нужды, затраты на его эксплуатацию и ремонт — мизерные. Опыт эксплуатации в различных сферах экономики показал, что ЧРП работает по идеальной для потребителей схеме «поставил и забыл». Эта особенность ЧРП позволяет применять двигатели переменного тока в труднодоступных и нежелательных для частого обслуживания частях агрегатов.

Области применения ЧРП — все отрасли промышленности и сельского хозяйства* , коммунальная сфера, транспорт, личное хозяйство граждан. Наибольшую выгоду от использования ЧРП можно получить там, где механизмы работают в тяжёлых условиях.

Иркутская область является одним из первых в мире регионов, где ЧРП на практике доказал свои преимущества, работая в предельно жёстких условиях на шагающем экскаваторе.

Считается, что условия эксплуатации оборудования на экскаваторах являются самыми сложными. Главные двигатели в течение одной минуты по несколько раз меняют скорость (от минимальной до максимальной), направление вращения, режим работы (от холостого до полной нагрузки). На экскаваторах постоянно присутствуют повышенная вибрация и значительная запылённость. Оборудование находится фактически на открытом воздухе и защищено только от прямого попадания атмосферных осадков. К этим особенностям добавляется также низкое качество электроэнергии, характерное для горнодобывающих предприятий.

Признано, что если какое-то устройство прошло испытания на экскаваторе, то оно заведомо будет работать на других агрегатах. Поэтому тот факт, что ЧРП успешно уже в течение многих лет работает на шагающем экскаваторе в климатических условиях Восточной Сибири, доказывает, что этот вид техники может использоваться практически везде.

Первым в мире шагающим экскаватором, на котором был установлен ЧРП типа НПЧ-АД (непосредственный преобразователь частоты с трёхфазными асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором), стал ЭШ-20/90 №39. Произошло это событие в 1989 г. на разрезе «Сафроновский» ПО «Востсибуголь» (г. Черемхово, Иркутская область)*.

Наиболее наглядным преимуществом ЧРП на экскаваторе оказалось то, что он позволил значительно уменьшить износ механической части. ЧРП настолько успешно гасит вредные колебания и рывки, которые неизбежно возникают при работе экскаватора, что механизмы изнашиваются и ломаются гораздо меньше, чем обычно. За счёт этого удалось существенно снизить количество простоев и объём затрат на ремонт. Если учесть, что ремонт большого экскаватора может длиться месяцами и с весьма большими затратами, то экономия материальных, финансовых и временных ресурсов получается просто колоссальной.

Годы эксплуатации экскаватора доказали, что ЧРП действительно является тем видом техники, который позволяет значительно снизить удельные затраты ресурсов в промышленности. При этом за счёт того, что ЧРП позволяет быстрее и качественее производить необходимые технологические операции, уменьшаются и эмоциональное напряжение, и утомляемость машинистов, их работоспособность в течение смены меньше изменяется. В результате, растут производительность и экономические показатели.

Для Иркутской области и всей Сибири с её сложным климатом опыт успешной эксплуатации ЧРП на экскаваторе особенно важен, т.к. он наглядно показал, что для этого вида техники нет ограничений по применению из-за специфических внешних условий. Напротив, там, где условия внешней среды достаточно жёсткие, именно использование ЧРП даёт наибольшую экономическую выгоду.

В коммунальном хозяйстве в системах водоснабжения и водоотведения центральное место занимает насосная станция. Задачей насосной станции является поддержание нормального давления в системе. Если насосы работают в односкоростном режиме, то давление в водопроводной системе зависит от расхода жидкости — чем больше расход, тем меньше давление. И, наоборот, с уменьшением расхода растёт давление. А увеличение давления на 1 атмосферу (10 м водяного столба) приводит к дополнительному росту утечек через различные отверстия в трубопроводе на 2-7%. Поэтому для снижения потерь необходимо, чтобы давление в системе поддерживалось на нормальном уровне вне зависимости от расхода жидкости.

В нашей стране для привода насосов используются двигатели переменного тока, но системы регулирования давления или не применяются вообще, или они не обеспечивают достаточного качества поддержания давления. Из-за этого давление воды может изменяться в широких пределах — днём, когда потребление воды большое, давление в водопроводе падает, а ночью, когда расход воды минимален, давление резко повышается, что может привести к разрыву труб. И от этого не застрахован даже совершенно новый и высококачественный трубопровод. Между тем, коммунальщики по-прежнему проводят замену старых труб на новые со специальными изолирующими слоями, очень дорогие, но при этом не ставят совершенные системы регулирования давления на насосных станциях. А чтобы избежать аварий, в ночные периоды просто отключают воду. Это хорошо знакомо жителям больших многоквартирных домов!

Самым лучшим способом поддержания нужного давления жидкости в сети при разных расходах перекачиваемой жидкости является регулирование скорости вращения электродвигателя насоса, что наиболее эффективно осуществляет ЧРП. Применение ЧРП позволяет поддерживать давление с очень высокой точностью, исключить гидроудары, уменьшить утечки, увеличить срок службы трубопроводов, увеличить межремонтные периоды в 1,5-2 раза, экономить электроэнергию (около 50%), а также воду (и тепло, в случае отопительных систем). Срок окупаемости ЧРП, задействованного для привода насоса, составляет менее года только за счёт экономии электроэнергии.

В развитых странах ЧРП применяется в широких масштабах во всех отраслях экономики. Там получили столь весомые результаты от использования ЧРП, что это позволило говорить о новом, значительном этапе в области энергоресурсосбережения*.

ЧРП на Западе применяют и на городском электрическом транспорте (ГЭТ) в качестве тягового привода (он приводит в движение трамваи, троллейбусы, поезда метро и т.д.). Это позволило снизить затраты на перевозку одного пассажира, улучшить качество обслуживания, что, в свою очередь, повысило привлекательность общественного транспорта в глазах горожан. В некоторых западных городах часть населения перестала пользоваться автомобилями для поездки на работу, потому что на ГЭТ это получается дешевле, проще, удобнее**.

Власти отдельных городов Западной Европы и Америки, учтя опыт успешной эксплуатации транспортных средств с ЧРП, планируют расширять сеть ГЭТ с целью снижения затрат местных бюджетов и улучшения экологической обстановки населённых пунктов.

Несомненно, что дальнейшее развитие городского общественного транспорта пойдёт по пути применения ЧРП в качестве основного вида привода подвижного состава. На ГЭТ эта тенденция уже очевидна в развитых странах, где освоено производство транспортных средств с ЧРП, — в странах Евросоюза, США, Японии. (Трамваи и троллейбусы с ЧРП работают и в некоторых городах России, например, в Москве, Екатеринбурге.) Кроме того, за рубежом уже существуют модели автобусов, где наряду с двигателями внутреннего сгорания применяются и электродвигатели. Подобные модели позволяют уменьшить расход углеводородного топлива, т.е. снизить количество вредных выбросов в городскую среду.

Сегодня современному городу нужен новый вид общественного транспорта, который отвечал бы следующим условиям:

• средняя и высокая вместимость;
• автономность хода;
• манёвренность;
• динамичность;
• плавность хода;
• экономичность;
• экологичность (минимальное количество вредных выбросов);
• автоматическое отключение двигателя во время стоянок;
• пробкоэкономичность.

Динамичность, плавность хода, экономичность, экологичность, автоматическое отключение двигателя во время стоянок и пробкоэкономичность может обеспечить ЧРП, а автономность хода — накопители энергии**.

По мнению автора, наиболее перспективным направлением дальнейшего развития городского общественного транспорта должно явиться объединение положительных качеств автобусов (автономность хода и маневренность) и троллейбусов (высокий КПД и отсутствие вредных выбросов) в новом виде транспорта. Он может называться, например, «кадевЕл» (от испанского CArrera DE VELocidad — бег (езда) на короткое расстояние). Кадевел будет представлять собой машину с электродвигателем (в составе ЧРП), накопителем энергии и штангами, наподобие троллейбусных или трамвайных. (Для удобства разъяснения принципа работы кадевела в качестве накопителей энергии будем рассматривать электрические аккумуляторы.)

Запасённая в аккумуляторах энергия позволит кадевелу передвигаться «по-автобусному», т.е. свободно, без привязи к контактной сети. Подзарядка аккумуляторов будет производиться посредством штанг.

Отличительная особенность кадевела: ёмкость*** его аккумуляторов будет рассчитана на обеспечение короткого пробега, равного расстоянию между соседними остановками (плюс запас). А подзаряжаться аккумуляторы смогут на остановках — штанги специальной конструкции автоматически (без участия человека) будут подключаться к контактной сети. За то время, пока пассажиры выходят-входят, аккумуляторы успеют подзарядиться до нужной величины, что даст кадевелу возможность доехать до следующей остановки. Когда машина начнёт движение, штанги автоматически отсоединятся от контактной сети. В таком режиме кадевел и будет работать: остановка — заряд аккумуляторов, движение — разряд.

Из-за того, что ёмкость аккумуляторов должна будет обеспечить только короткий пробег машине, масса, габариты и стоимость аккумуляторной установки станут невелики. Снизить ёмкость аккумуляторов позволит и применение ЧРП, который, благодаря высокому КПД, минимизирует потери энергии.

Кроме того, значительно уменьшить ёмкость аккумуляторов можно будет и в том случае, если во время интенсивной работы кадевел сможет запитываться напрямую от контактной сети. Известно, что машины потребляют наименьшее количество энергии при равномерном движении по ровной местности с небольшой и средней скоростью (когда сопротивление воздуха сравнительно мало). А наибольшее количество энергии транспортные средства используют во время интенсивной работы — разгон, торможение, подъём, спуск и движение на высокой скорости. Поэтому, чтобы энергию аккумуляторов не расходовать в периоды интенсивной работы, в это время кадевел следует запитывать от контактной сети через штанги, т.е. контактную сеть надо будет располагать не только на самих остановках, но и чуть дальше, чтобы машина успела разогнаться до нужной скорости. Также сеть должна быть и в местах крутых или затяжных подъёмов и спусков*, возможно, и у светофоров.

Таким образом, контактная сеть для кадевела будет состоять из коротких отрезков, расположенных на остановках и в местах интенсивной работы. Конструкция штанг должна давать возможность автоматически подключаться и отключаться от контактной сети во время движения.

Сочетание трёх особенностей кадевела — ЧРП, подзарядка на остановках и запитка от контактной сети во время интенсивной работы — позволят снизить ёмкость аккумуляторов до минимальной величины. Фактически, их энергия потребуется только для поддержания движения кадевела в периоды наименьшей нагрузки мотора.

Конечно, рассмотренный вариант является идеализированным. В реальности, при расчёте ёмкости аккумуляторов, необходимо будет брать запас с учётом особенностей конкретного маршрута движения (максимальное расстояние между соседними остановками, рельеф, количество светофоров, перегруз транспортного средства в часы пик и т.п.) и вероятности появления непредвиденных обстоятельств (пробки, объезд аварийных участков и т.д.).

С учётом запаса, типовая ёмкость аккумуляторов кадевела должна будет обеспечить пробег на расстояние в 1,5-2 км при максимальном количестве пассажиров**. Кадевелу потребуется накопитель энергии в десятки раз меньшей ёмкости, чем его ближайшим собратьям — электробусам с аккумуляторами, которые рассчитаны на 60-100 км пробега без подзарядки.

В электробусе, для обеспечения такого длинного пробега, размещают достаточно большое количество аккумуляторов, которые имеют значительную массу, что существенно утяжеляет всю конструкцию. К тому же из-за больших габаритов аккумуляторной батареи её ставят прямо в салоне, что вызывает значительные неудобства и ведёт к уменьшению числа пассажирских мест. Ещё одним минусом электробусов является то, что они рассчитаны на подзарядку в специальных местах и сам этот процесс занимает значительное время — несколько часов. Большие массо-габаритные показатели электробусных аккумуляторных батарей и долгое время их заряда снижают ценность этого вида транспорта. Практически, дальше опытных образцов дело не пошло***. В отличие от электробуса, кадевел будет избавлен от его явных недостатков, сохранив при этом преимущества — электродвигатель и автономность хода.

По сравнению с другими общественными транспортными средствами кадевел будет иметь комплекс положительных качеств:

• автономность хода и манёвренность;
• экологически чистый вид мотора (электродвигатель);
• высокоэффективная система регулирования скорости (за счёт ЧРП);
• малые массо-габаритные и стоимостные показатели накопителя энергии.

Новый вид общественного транспорта — кадевел, появление которого предопределено развитием техники и непосредственно ЧРП, позволит сократить себестоимость пассажироперевозок и улучшить экологическую обстановку в городе.

Те перспективы, которые может дать ЧРП транспортному средству, настолько вдохновили конструкторов, что они его поставили даже на автомобили. ЧРП позволил запустить в серийное производство новый класс автомобилей, получивших название «гибридные». В этих машинах, наряду с двигателем внутреннего сгорания, применяется двигатель переменного тока. За счёт ЧРП гибриды потребляют топлива практически в два раза меньше, чем обычные автомобили.

Например, первая модель гибридного автомобиля Toyota Prius (1998 г.) расходует литр топлива на 29 км, усовершенствованная модель (2002 г.) — литр топлива на 31 км. Honda Civic Hybrid расходует литр топлива на 29,5 км. В среднем гибридная машина потребляет всего лишь 3,3 литра на 100 км.

Значительная экономия топлива и, соответственно, меньшее количество выхлопов позволили уже первым серийным гибридам Toyota Prius и Honda Civic Hybrid получить признание как одних из самых экологически чистых «зелёных» автомобилей.

Суммируя зарубежный и отечественный опыт, можно сделать вывод, что при минимальных затратах ЧРП позволяет значительно снизить потребление материальных и энергетических ресурсов во всех сферах деятельности человечества. Экономия получается за счёт того, что ЧРП обеспечивает практически оптимальный скоростной режим работы агрегатов. При этом ЧРП позволяет исключить избыточную нагрузку на природу, как в отношении выброса вы-хлопных газов и СО2 в атмосферу, так и потребления невозобновляемых ресурсов.

В России, особенно в традиционно отсталых отраслях экономики, продвижение ЧРП идёт с трудом. Частично из-за этого в нашей стране тратится большое количество ресурсов на производство единицы продукции, что идёт вразрез с концепцией устойчивого развития.

В случае с автотранспортом перерасход ресурсов к тому же ведёт к загрязнению городской среды — одного из главных мест обитания человека. Поэтому в рамках образования для устойчивого развития необходимо распространять информацию о преимуществах ЧРП и других энергоресурсосберегающих видов техники.

Особое внимание на эту задачу должны обратить местные власти и общественность Иркутской области, в частности г. Черемхово. В конце 2004 г. исполнилось пятнадцать лет, как был введён в эксплуатацию и успешно работает экскаватор ЭШ-20/90 №39. Данное обстоятельство является хорошим поводом и примером для пропаганды ресурсосберегающих технологий.