Экономика и организация производства электроприводов: анализ рынка приводной техники

В настоящее время в нашей стране создан рынок электроприводов  (ЭП) и систем автоматики (СА), причем имеется возможность выбора типовых средств от простых комплектных автоматизированных электроприводов (АЭП) с невысокими динамическими показателями, используемыми для управления автономными производственными механизмами, до интегрированных систем многодвигательных высоко динамичных АЭП, предназначенных для управления технологическими комплексами. Возможны варианты создания АЭП в составе вновь создаваемых механизмов, машин или комплексов либо при реконструкции имеющихся механизмов, машин или комплексов.

Большинство задач создания  или модернизации АЭП решается с помощью типовых средств, максимально адаптированных к конкретному объекту и режимам их функционирования в технологическом процессе. Как известно, типовая структура современных АЭП технологического комплекса включает исполнительные органы рабочих машин и технологических агрегатов, оснащенных электроприводами с электродвигателями, управляемыми преобразователями и программируемыми контроллерами. Совместно эти устройства составляют основу комплектного электропривода. Работу приводов и механизмов, входящих в состав технологического агрегата, координирует технологический программируемый контроллер. Координацию совместной работы агрегатов технологического комплекса выполняет один из микроконтроллеров или промышленный компьютер. Контроль агрегатов и управление ими может быть осуществлен с периферийных пультов оператора.

В состав приводной техники включаются также разнообразные электротехнические устройства: бесконтактные коммутационные аппараты, источники питания, устройства пуска и торможения электродвигателей, низковольтная аппаратура и др.

Развитие комплектных АЭП идет по пути совершенствования силовых блоков и блоков управления с целью повышения их экономических, функциональных и эксплуатационных показателей. Основным достоинством таких электроприводов является мощный энергосберегающий эффект. В преобразователях частоты используются активные выпрямители, совершенствуются схемы с инверторами тока, применяются новые полупроводниковые приборы. За счет использования дополнительных компонентов силовых блоков обеспечиваются наилучшие условия для электромагнитной совместимости преобразователей частоты с сетью электропитания.

Совершенствования блоков управления связано с использованием новых микроконтроллеров, разработанных для применения в частотно-регулируемом приводе. За счет высокой производительности центрального микропроцессора, широкой номенклатуры периферийных устройств, генераторов и модулей широтно-импульсной модуляции (ШИМ) обеспечивается реализация новых алгоритмов векторного управления автономными инверторами тока с ШИМ, в том числе алгоритмов с использованием нечеткой логики и нейронных сетей.

В целом, создание силовых полупроводниковых приборов с новыми свойствами и характеристиками позволяет осуществлять преобразование электрической энергии в формах, наиболее удобных для ее электромеханического преобразования, что открыло широкие возможности для создания технически совершенных регулируемых электроприводов. А использование достижений микропроцессорной и компьютерной техники принципиально изменило элементную базу, функциональные возможности и «интеллект» систем управления электроприводами. В спектре средств силовой электроники для автоматизированного электропривода с асинхронными двигателями особое место занимают высоковольтные преобразователи с регулируемой выходной частотой (ВПЧ).

Например, по данным EPRI (институт электроэнергетики США), в рамках реализации программы по реконструкции 60 энергоблоков ТЭС в период с 1986 по 1995 год введены более 300 частотно-регулируемых асинхронных электроприводов мощностью от 630 до 4500 кВт напряжением 2400, 4160 и 6600 В, что обеспечило годовую экономию электроэнергии около 1 млрд кВт.ч. Помимо прямой экономии электроэнергии, применение мощных частотно-регулируемых электроприводов с ВПЧ позволило поднять мощность энергоблоков. Аналогичные работы в России были начаты в 1995 г. в ОАО «Мосэнерго» в рамках реализации программы энергосбережения. За 10 лет специалистами ОАО «ВНИИЭ» были введены 28 частотно-регулируемых асинхронных электроприводов мощностью от 500 до 4000 кВт напряжением 3300 и 6000 В. Только прямая экономия электроэнергии от внедрения этих электроприводов на ТЭЦ и насосно-перекачивающих станциях тепловых сетей превышает 100 млн кВт.ч в год.

Другое важное достоинство регулируемого электропривода - это снижение эксплуатационных затрат, которое имеет несколько составляющих:

• снижения величины пусковых токов электродвигателей до уровня номинальных и, соответственно, исключения вредного воздействия этих токов на питающую сеть;
• практического исключения из работы дросселей, заслонок, различного рода клапанов;
• исключения гидроударов в гидравлической сети, плавное изменение подачи воздуха в вентиляторах и др., т. е. исключение или существенное снижение динамических воздействий на технологическое оборудование и сети;
• продления срока службы подшипников и др. вращающихся частей, поскольку механизмы, снабженные преобразователями частоты в течение длительного времени работают с частотами вращения меньшими номинальных.

В результате значительно снижаются эксплуатационные расходы и уменьшаются возможности аварийности всего оборудования в целом. По оценке американских экспертов считается, что экономический эффект от снижения эксплуатационных затрат по меньшей мере сопоставим с эффектом от прямого сбережения энергоносителей.
Третьим важным достоинством применения регулируемого электропривода является экономия воды и тепла при использовании его в насосных установках.
Так в жилищно-коммунальном хозяйстве применение преобразователей частоты в повышающих насосах горячей и холодной воды позволяет экономить до 10%-15% воды и до 8%-10% тепла.

Становится очевидным, что производство современного электропривода - это сложное производство. Поэтому создание современного электропривода  связано с унификацией отдельных компонентов, агрегатированием отдельных узлов и блоков и типизацией систем управления, что позволяет снизить сроки и стоимость разработки и обеспечить соответствие требованиям стандартов.

Производством электроприводов  и систем автоматики занимаются как отраслевые фирмы, ориентированные на производство отдельных комплектующих, производственного оборудования, технологических комплексов, приборов и средств автоматики, так и межотраслевые фирмы с научно-производственными центрами, занимающиеся крупными системными проектами. В условиях рыночной экономики получили распространение  инжиниринговые фирмы, выполняющие разнообразные работы, связанные с электрооборудованием, автоматизированными электроприводами и системами автоматизации. Эффективная работа этих фирм определяется наличием высокоразвитой организационной структуры и высококвалифицированным  персоналом.

1.3.1.  Энергосберегающий эффект

Опыт индустриально развитых стран показывает, что при эффективной технической политике вопрос о том, куда направлять капиталовложения – на увеличение производства электроэнергии или на энергосбережение, в подавляющем большинстве случаев решается в пользу инвестиций в энергосбережение.

По данным консалтинговой группы ARCAdvisoryGroup (США), в 2004 году мировой рынок регулируемых электроприводов оценивался примерно в 2,5 млрд USD и в ближайшие несколько лет будет расти ежегодно на 5,3%. Предполагается, что за пять лет в индустриально развитых странах соотношение нерегулируемого и регулируемого электропривода составит 1:1. В России регулируемый электропривод составляет пока не более 2–2,5% всего рынка приводов.

В качестве основы для анализа приводной техники взяты официальные данные российской муниципальной программы по энергосбережению уже внедренной в Москве и внедряемой в других городах России.

Анализ деятельности существующей государственной программы по внедрению энергосберегающих технологий показал ее низкую практическую эффективность.
По оценкам экспертов Евросоюза, внедрение энергосберегающих технологий и оборудования способствует снижению потребностей в энергоресурсах не менее чем на 30% - 40%. Мировая и отечественная инженерная практика показала, что наибольший экономический эффект при реализации программ энергосбережения дает переоснащение энергетических сетей и коммуникаций устройствами частотно-регулируемого электропривода. Около 2/3 всего объема потребляемой электроэнергии используется для механической работы, выполняемой электроприводом. Наиболее широко в отраслях промышленности и коммунального хозяйства используются электроприводы на базе асинхронных электродвигателей (55%-60% всей потребляемой энергии)

В жилищном коммунальном хозяйстве традиционно используются электродвигатели с большим запасом по мощности в расчете на максимальную производительность оборудования, несмотря на то, что часы пиковой нагрузки составляют всего 15% - 20% общего времени его работы. В результате электродвигатели с постоянной скоростью вращения потребляют среднесуточно значительно, иногда до 60%, больше электроэнергии, чем это необходимо. Отсюда следует, что основные резервы сбережения электрической энергии заключены в широкомасштабном применении энергосберегающих электроприводов. Наиболее радикальным, дающим большую экономию электроэнергии способом (до 30-50%), является оснащение электродвигателей частотными преобразователями, позволяющими регулировать частоту их вращения в зависимости от реальной нагрузки. При этом не требуется замена стандартного электродвигателя, что особенно актуально при реконструкции объектов. Области применения регулируемого электропривода весьма обширны.

В жилищно-коммунальном хозяйстве и коммерческом секторе это:

• насосы холодной и горячей воды в центральных тепловых пунктах;
• насосные установки водоканальных и тепловых сетей;
• насосные установки очистных станций;
• компрессоры, вентиляторы, кондиционеры, установленные в зданиях.

В топливно-энергетическом комплексе:

• буровые установки, насосы нефтеперекачки и компрессоры газоперекачки,
• экскаваторы, электротрансмиссии мощных карьерных самосвалов, карьерные дизель-троллейвозы, транспортеры и конвейеры, дробилки и мельницы, шахтные подъемные машины и шахтный электротранспорт;
• насосные и вентиляционные установки ТЭС, ТЭЦ, РТС и котельных, насосные установки тепловых сетей и др.

В промышленности и сельском хозяйстве это:

• перемешивающие устройства, центрифуги, насосы, компрессоры, вентиляторы;
• электроприводы обрабатывающих станков, электротранспортеры и конвейеры, печи, мельницы и др.

Распределение асинхронных электродвигателей по мощностям и потреблению электроэнергии приведено в таблице 1.1.

В целом электродвигатели мощностью от 1,0 до 100 кВт составляют примерно 90% от общего количества и потребляют 90% электроэнергии, преобразуемой в механическую.
Наиболее массовый и дешевый асинхронный электропривод по количеству потребляемой электроэнергии находится в диапазоне мощностей 1 - 20 кВт, а среди исполнительных механизмов самыми распространенными являются вентиляторы, транспортеры и насосы, составляющие более половины общего количества механизмов (табл. 1.2).

 Таблица 1.1.

Распределение асинхронных двигателей по мощностям и потреблению электроэнергии

 Таблица 1.2.

Распределение асинхронных электродвигателей по механизмам

Эффективность использования регулируемого электропривода в конкретных механизмах приведена в табл. 1.3.

Таблица 1.3.

Экономия электроэнергии при использовании регулируемого электропривода в различных механизмах

Учитывая, что эти типы механизмов составляют более 50% от общего количества используемых электроприводов, данное направление является приоритетным для внедрения.

Во всем мире уделяется большое внимание расширению производства регулируемых электроприводов переменного тока. По различным источникам в промышленно-развитых странах от 50% до 70% выпускаемых и запускаемых в эксплуатацию электроприводов являются регулируемыми, а к 2007 г. их доля возрастет до 85% - 90%.

Столь высокие темпы роста производства и введения в эксплуатацию регулируемых электроприводов обусловлены их высокой рентабельностью. Как сказано выше, электропривод, являясь крупнейшим потребителем электроэнергии и потенциально огромным резервом энергосбережения, обеспечивает за счет экономии энергоресурсов большой экономический эффект. На рисунке 1.4 показана эффективность применения регулируемого электропривода на объектах народного хозяйства.

Таким образом, разработка и внедрение регулируемого электропривода является одним из самых перспективных и экономически оправданных направлений из всех энергосберегающих технологий. Уже в настоящее время емкость рынка преобразователей частоты составляет, по оценкам экспертов десятки млн. штук, в том числе несколько сот тысяч - для систем жилищно-коммунального хозяйства.

1.3.2.   Тенденции подхода

Сказанное свидетельствует о высокой эффективности применения регулируемых электроприводов с ВПЧ. Поэтому большинством ведущих электротехнических фирм особое внимание уделяется разработкам высоковольтных преобразователей с регулируемой выходной частотой. Несмотря на различия в технической политике фирм в этой области, что связано с достаточно острой конкуренцией, необходимостью проведения дорогостоящих исследований и т.п., в целом можно выделить некоторые тенденции общего подхода к созданию электроприводов с высоковольтными преобразователями с регулируемой выходной частотой.

Очень важным для российских фирм является союз отечественных производителей приводов и двигателей. Объединение усилий позволит поставлять потребителю полный комплект российской электроники. При этом должно быть обеспечено высокое качество, невысокие цены, гибкая работа с потребителем и качественный сервис.

На отечественном рынке  этого нового оборудования представлена продукция всех ведущих фирм мира: "Hitachi ", "Mitsubisi", "ABB", "Allen Bradley", "Danfoss" и др. Как правило, все они производят выпуск и продажу полного комплекса соответствующих товаров - преобразователи, фильтры, двигателя, коммутационное оборудование и т.д

Мировое сообщество оценило неизбежность проблемы энергоресурсосбережений для России и провело оценки рынка энергосберегающих технологий, особенно регулируемых электроприводов с его самой высокой рентабельностью среди всех других отраслей. Его потенциальные объемы привели к реально наблюдаемым признакам товарной интервенции. Итогом неконтролируемого допуска зарубежных производителей на рынке энергоресурсосберегающего оборудования и технологий может оказаться попадание под жесткий стратегический контроль крупных корпораций. Многие трансконтинентальные корпорации ввели демпинговую политику на ряд своих устройств при продажах, а также используются специальные методы захвата рынка в виде "целевых" кредитов, организации специальных конференций с бесплатным выездом на них ключевых чиновников и т.д.

Сравнение российских и западных преобразователей частоты показывает, что несколько выигрывая в ценовой конкуренции, они пока значительно проигрывают западным по показателям надежности и долговечности. Причиной этого является невысокое качество поставляемых из стран СНГ и регионов РФ комплектующих изделий. Основная проблема предлагаемых на рынке приводов производства СНГ - это ориентация последних на постсоветскую элементную базу и конструктивные идеи тех времен. Проводимая эксплуатационная доводка преобразователей частоты и работа с поставщиками комплектующих изделий позволяют надеяться на повышении качества. Однако для достижения мировых показателей необходим комплексный подход к разработкам и организации производства с объединением усилий предприятий, имеющих опыт в разработке и производстве аналогичных изделий, комплектующих приборов и элементной базы. В России принята соответствующая государственная и муниципальная программы.

Западные преобразователи, как правило, плохо работают с установленными отечественными двигателями (ресурс которых еще не отработан и на 50%), и требуют замены двигателей, соответственно, переделки механической части, что приводит к необоснованным затратам. Симбиоз западный преобразователь - отечественный двигатель на наших энергетических сетях часто выходит из строя. Ремонт при этом не обосновано дорог, реальная доводка фирмами изготовителями своих преобразователей под двигатели, используемые в России,  не производится по следующим причинам:

• фирма заинтересована в продаже не только преобразователей, но и двигателей, а в перспективе и полном захвате рынка;
• местные дилеры получают колоссальную базу обслуживания, а она по прибыльности иногда даже превышает проданное оборудование;
• фирма получает прибыль на продаже комплектующих к своему оборудованию;
• ситуация выгодна мелким чиновникам отвечающим за покупку и обслуживание оборудования в каждом конкретном случае получающим "откат".

Следует особо обратить внимание на "исторически" сложившуюся схему покупки подобного оборудования. В 90% случаев для муниципальных потребностей приобретается не технологически необходимое, а более-менее соответствующее задаче, но самое дорогое оборудование самых известных фирм. При этом получаемый "откат" максимален, ремонтная база максимально дорогая (соответствующие неформальные финансовые поступления тоже), а основным оправданием перед возможными проверяющими служит: "Это же "Hitachi" ("Mitsubisi", "ABB", "Allen Bradley", "Danfoss" и др.)…" Данная схема выгодна мелким чиновникам на местах, не выгодна руководству города, коммунальному хозяйству, местным производителям и т.д.

Наиболее рациональной является производство устройств местными производителями на основе наиболее современных западных комплектующих, но адаптированных под существующую реальную технологическую базу. Такой путь в настоящее время используется правительством Москвы, причем предприятия поставляющие оборудование для муниципального хозяйства частично принадлежат горадминистрации. Поскольку регулируемый электропривод концентрирует в себе основные направления полупроводниковой электроники: микроэлектронику, силовую электронику, сенсорную и информативную электронику, то его интенсивное развитие может дать дополнительный толчок к дальнейшему развитию и этой отрасли на промышленных предприятиях, в т. ч.:

• силовая электроника - линии электропередач, железнодорожный транспорт, бытовая техника;
• сенсорная электроника - новые возможности приборостроения за счет использования полупроводниковых микродатчиков;
• информационная электроника - микроэлектроника с использованием систем отображения информации на отечественных светоизлучающих диодах и индикаторах.

Согласно государственной программы основные направления развития и внедрения регулируемого электропривода в народном хозяйстве целесообразно реализовать посредством шести агрегированных проектов, приведенных в табл. 1.4.

 Таблица 1.4.

Сроки окупаемости при внедрении регулируемого электропривода составляют менее одного года, причем источником капитальных вложений последующих энергосберегающих мероприятий может выступить экономия денежных средств, полученная вследствие реализации работ первых этапов. Эффект будет более значительным в связи с тенденцией повышения цен на энергоносители.

По данным созданной при правительстве профильной комиссии реализация комплекса работ по внедрению регулируемого электропривода в коммунальном хозяйстве обеспечит:

• экономию энергоносителей (от общего потребления): электроэнергии до 15%-20%, воды питьевого качества до 10% - 12%, топлива - 8% - 10%;
• экономию денежных средств за счет уменьшения потребления энергоносителей;
• значительное увеличение ресурса работы оборудования;
• создание индустрии российских импортозамещающих частотно-регулируемых электроприводов;
• закрепление высококвалифицированного научного и производственного персонала;
• значительные поступления средств в бюджет от уплаты налогов предприятиями;
• получение значительной прибыли предприятиями производителями оборудования.

Выводы:

1. Существуют экономические предпосылки и потребности для внедрения энергосберегающих технологий (конкретно регулируемых электроприводов) в промышленности, сельском и коммунальном хозяйстве.
2. В России уже действует программа по централизованному внедрению энергосберегающих технологий.
3. В настоящее время в бесконтрольной ситуации происходит захват перспективного ранка нерезидентами и отток возможных прибылей.
4. Существуют технологические разработки и реальные кадры способные наладить выпуск модельного ряда электроприводов.
5. Существует реальная хозяйственная самоокупаемая схема по организации бизнеса в данном направлении.