Распечатать
Электропривод
«Круглый стол» в рамках ПТА-2011
Почти половину всей электроэнергии, добываемой в мире, расходуют электродвигатели. И интерес КМ к теме энергоэффективности приводной техники вполне объясним. В сентябре в рамках выставки ПТА мы провели "круглый стол", посвященный этой проблеме. Сегодня публикуем первую часть дискуссии.
Энергоэффективные двигатели - мифы и реальность
Хотелось бы развенчать некоторые популярные мифы, созданные "успешными менеджерами", продающими двигатели с повышенным КПД или энергоэффективные двигатели (ЭЭД).
Что же такое энергоэффективные двигатели – это машины, КПД которых на 1–10% выше, чем у стандартных моторов. Причем, если речь идет о крупных двигателях, разница составляет 1–2%, а в моторах малой мощности она может достигать 7–10%.
Высокий КПД в двигателях достигается за счет:
Увеличения массы активных материалов – меди и стали;
- применения более тонкой и высококачественной электротехнической стали;
- использования меди вместо алюминия в качестве материала обмоток ротора;
- уменьшения воздушного зазора между ротором и статором с помощью высокоточного технологического оборудования;
- оптимизации зубцово-пазовой зоны магнитопроводов и конструкции обмоток;
- применения подшипников высокого качества;
- специальной конструкции вентилятора.
По данным статистики, стоимость самого двигателя составляет менее 2% от общих затрат на жизненный цикл (при работе 4000 часов ежегодно в течение 10 лет). На электроэнергию тратится примерно 97%. Около процента уходит на монтаж и техническое обслуживание.
Как видно из диаграммы, уже более десяти лет в Европе идет планомерное вытеснение низкоэффектиных двигателей моторами с повышенным КПД. С середины этого года в ЕС запрещено использование новых двигателей класса ниже IE2.
Преимущества и недостатки ЭЭД
В общем случае переход к применению ЭЭД позволяет:
Повысить КПД двигателя на 1–10%;
- увеличить надежность его работы;
- уменьшить время простоев и затраты на техническое обслуживание;
- повысить устойчивость двигателя к тепловым нагрузкам;
- улучшить перегрузочную способность;
- повысить устойчивость двигателя к различным нарушениям эксплуатационных условий: пониженному и повышенному напряжению, искажению формы волн (гармоникам), несбалансированностифаз и т. д.;
- увеличить коэффициент мощности;
- снизить уровень шума.
У машин с повышенным КПД по сравнению с обычными на 10 – 30% выше стоимость, несколько больше масса. Энергоэффективные двигатели имеют по сравнению с обычными двигателями меньшее скольжение (следствие чего – частота вращения немного больше) и более высокую величину пускового тока.
В некоторых случаях использование энергоэффективного двигателя не является целесообразным:
Если двигатель эксплуатируется непродолжительное время (менее 1–2 тыс.часов/год), внедрение энергоэффективного двигателя может не внести существенного вклада в энергосбережение;
- если двигатель эксплуатируется в режимах с частым запуском, сэкономленная электроэнергия может быть израсходована вследствие более высокого пускового тока;
- если двигатель работает с неполной нагрузкой (например, насосы), но на протяжении длительного времени, объемы энергосбережения в результате внедрения энергоэффективного двигателя могут оказаться незначительными по сравнению с потенциалом привода с переменной скоростью;
- каждый дополнительный процент КПД требует увеличения массы активных материалов на 3–6%. При этом момент инерции ротора возрастает на 20–50%. Поэтому высокоэффективные двигатели уступают обычным по динамическим показателям, если при их разработке специально не учитывается это требование.
Практика и расчеты показывают, что затраты окупаются за счет сэкономленной электроэнергии при эксплуатации в режиме S1 за год-полтора (при годовой наработке 7000 часов).
Энергоэффективность и надежность электрической машины неразрывно связаны. Обратная сторона энергоэффективности – это потери. Именно потери являются одним из превалирующих факторов, определяющих продолжительность эксплуатации двигателя. Возьмем только один аспект этой проблемы – тепловое воздействие на обмотки двигателя. Основная часть электрической энергии, которая в работу не преобразовывается, теряется в виде тепла. Рассматривая надежность изоляции обмоток, нужно знать «Правило восьми градусов» (на самом деле для разных классов изоляциии речь следует вести о 8 – 13 °С): превышение рабочей температуры двигателя на указанную выше величину сокращает его продолжительность жизни в 2 раза. Пример из практики. В вагонах московской монорельсовой дороги в результате инженерных просчетов первые опытные двигатели с изоляцией класса Н (180 °С) вынуждены были работать при температуре 215–220 °С. В таком режиме их хватало всего на несколько месяцев эксплуатации.
Двигатели, которые обладают повышенным КПД, меньше греются, а значит, дольше живут. Энергоэффективные двигатели – это двигатели повышенной надежности.
Ремонт или покупка
Еще одна важная проблема, возникающая при эксплуатации электродвигателей, – снижение КПД после 
капитального ремонта. Рынок ремонтных работ примерно в три раза превышает возможности производства новых двигателей. Для извлечения старой обмотки в большинстве случаев применяется тепловое воздействие на статор вместе со станиной. Такая операция значительно ухудшает свойства электротехнической стали, увеличивает ее магнитные потери. Исследования показали, что при капитальном ремонте КПД снижается на 0,5–2%, а иногда до 4–5%. Соответственно, эти потери начинают дополнительно греть двигатель, что очень плохо. На практике есть два варианта правильных действий. Экономически выгодный путь – покупка нового энергоэффективно- го двигателя. Второй вариант – высококачественный ремонт сгоревшего мотора. Это следует производить не в обычном рабочем цехе, а на специализированном предприятии.
Новые решения от АББ
АББ уделяет энергоэффективности двигателей очень большое внимание. Мы выпускаем моторы классов IE2 и IE3 и в алюминиевом, и в чугунном корпусе.
Двигатели класса IE3 АББ продаёт с начала этого года. Они востребованы у машиностроителей и промышленных предприятий, ориентированных на энергоэффективные технологии. Они хороши там, где требуется постоянная работа двигателя с нагрузкой, близкой к номинальной.
В четвертом квартале компания АББ выпускает на рынок серию M3BP высотой оси вращения 280–355 с классом энергоэффективности IE4 (SUPER PREMIUM EFFICIENCY). Серия M3BP – вершина конструкторских и технологических разработок компании АББ в области электромашиностроения. Сочетая в себе высокую эффективность, надежность и долгий срок службы, двигатели серии M3BP являются наиболее оптимальным и универсальным предложением для большинства отраслей и применений современной промышленности.
Важный вопрос – работа двигателя в составе частотно-регулируемого привода. Мы твердо занимаем место в первой тройке мировых производителей электроприводной техники. Важным преимуществом компании АББ является возможность проведения совместного испытания двигателей с преобразователями частоты.
При питании двигателя от преобразователя частоты очень важно уделять внимание таким вопросам, как прочность изоляции, применение изолированного подшипника и принудительное охлаждение двигателя.
Членами СЭВ было принято решение увеличить мощность двигателя на 1–2 ступени, не изменяя габарита, т. е., по сути, сохранив прежний объем двигателей. Речь идет о введении увязки СЭВ вместо действующей в Европе увязки CENELEC при внедрении серии 4А. Следующим негативным шагом в контексте обеспечения энергоэффективности явилось уменьшение заготовительных диаметров серии АИР по сравнению с серией 4А. Тогда, наверное, это было правильно, нужно было экономить электротехнические материалы, но сегодня мы столкнулись с проблемой, что в увязку СЭВ надо "вогнать" КПД, соответствующий классу IE2 или даже IE3. Наши тщательные проработки показали, что заготовительных диаметров младших машин увязки СЭВ не хватает для обеспечения класса IE3. И если Россия будет действовать в русле Еврокомиссии и ориентироваться на нормы МЭК 60034-30, пусть даже с отставанием на два-три года, то, когда дело дойдет до класса высшей энергоэффективности IE3, выяснится, что колоссальный ряд машин – с 90-й по 132-ю высоту – просто не сможет их обеспечить. Придется ломать увязку, все, что делалось тридцать лет, придется изменять. Это настоящая бомба замедленного действия. Хорошо хоть, что с габарита 160 и выше такой опасности нет. Несмотря на увеличенную мощность (либо уменьшенный объем при мощности CENELEC), мы все же сможем добиться класса энергоэффективности IE3. Отмечу, что если для средних габаритов у европейских производителей стоимость двигателей класса IE3 по сравнению с IE1 увеличивается на 30–40%, то для российской увязки стоимость машин возрастает существенно больше. Мы ограничены диаметром, а, значит, вынуждены чрезмерно увеличивать активную длину машины
О материалах и цене АЭД
Мы должны думать о цене электрических машин. Медь дорожает значительно быстрее стали. Поэтому мы предлагаем там, где возможно, использовать так называемые стальные двигатели (с меньшей площадью пазов), т. е. экономим медь.
Кстати, по тем же самым причинам НИПТИЭМ не является приверженцем двигателей с постоянными магнитами, поскольку магниты будут дорожать все больше и быстрее, чем медь. Хотя в равных объемах двигатель с постоянными магнитами обеспечивает больший КПД, чем асинхронник.
В сентябрьском номере КМ вышла статья о двигателях SEW Eurodrive, построенных по технологии Line Start Permanent Magnet, по замыслу создателей, объединяющей преимущества синхронной и асинхронной машин. По сути, это машины с постоянными магнитами, а короткозамкнутая клетка ротора используется при запуске, разгоняя машину до подсинхронной скорости. Такие двигатели при высшем классе энергоэффективности достаточно компактны. Мне кажется, они не получат массового применения, потому что постоянные магниты очень востребованы в иных отраслях, нежели общепром, и, по экспертной оценке, в дальнейшем в основном будут использоваться для выпуска спецтехники, на которую денег не жалеют.
Первые российские ЭЭД от РУСЭЛПРОМ
Серия 7AVE позиционируется как первая полномасштабная энергоэффективная серия РФ с габаритами от 112 до 315. Фактически вся она разработана. Габарит 160 полностью внедрен. Внедряются габариты 180 и 200. Начиная с габарита 250, около десяти типоразмеров машин ныне выпускаемой серии 5А, если пересчитать КПД на измеренные добавочные потери, соответствуют классу IE2; два типоразмера – классу IE3. В серии 7AVE названные типоразмеры будут более экономичными.
Замечу, что перед российскими учеными стоит очень сложная и увлекательная задача оптимального построения серии асинхронных машин, которая содержит несколько увязок (российская и европейская, повышенной мощности) 13 габаритов, три класса энергоэффективности, многочисленные модификации, то есть глобальная задача многообъектной оптимизации.
Фотографии предоставлены ООО "АББ"
Электропривод 02.10.2019 Золотую медаль за инновационную трансмиссию eAutoPowr и интеллектуальную систему e8WD получила компания John Deere от Сельскохозяйственного общества Германии (DLG). Еще за 39 продуктов и решений были отмечены серебряными наградами.
Электропривод 30.09.2019 Компания Sumitomo Heavy Industries достигла соглашения о приобретении производителя частотно-регулируемых приводов Invertek Drives. Как сообщается в релизе, это очередной шаг стратегии по развитию бизнеса, как с точки зрения увеличения портфеля, так и расширения охвата мирового рынка.
Энергосберегающие двигатели
Для уменьшения выброса CO 2 , производители двигателей обязались проводить маркировку двигателей по классам эффективности.
Всесторонняя линия двигателей по EPACT с IEC размерами
В соотвествии с актом от октября 97 по EPACT, кпд двигателей, ввезенных напрямую или другими путями в США, должны удовлетворять минимальным значениям.
Энергосберегающие двигатели с оптимальным кпд, потребляют меньше энергии при одной и той же выходной мощности. Увеличение в производительности достигнуто с помощью более высоко качества железа (чугун, медь и алюминий) и технического усовершенствования каждой детали. Потери энергии снижены на 45%. Покупатель получает огромную экономию средств, благодаря минимизации эксплуатационных расходов.
При использовании энергосберегающих двигателей снижается вред, наносимый окружающей среде. Возможность энергосбережения составляет до 20 ТВт в год, что эквивалентно мощности 8 тепловых электростанций и выбросам в атмосферу 11 миллионов тонн углекислого газа.
Проблема сбережения энергетических ресурсов планеты была обозначена еще во второй половине XX века. Так в 70-х годах прошлого столетия во всем мире разразился энергетический кризис. Цены на нефть с 1972 по 1981 годы возрасли в 14,5 раз. И хотя большинство сложных моментов того времени были преодолены, проблема сбережения мирового топливно-энергетического комплекса получила статус глобальной особо значимой проблемы, и с каждым годом этому вопросу уделяется все больше и больше внимания.
За счет технологического развития, во всем мире значится быстрый рост потребления энергии. Чтобы ресурсов планеты хватило человечеству в будущем, люди ищут различные пути и решения: используются альтернативные природные источники энергии (ветер, вода, солнечные батареи), были изобретены экологичные технологии получения энергии путем переработки мусора и различных бытовых отходов, технологическое оборудование из года в год модернизируется с целью уменьшения потребляемой этим оборудованием энергии.
Энергоэффективность оборудования, в частном порядке касается каждого из нас. Ведь, от нее напрямую зависит сумма в ежемесячном счете за элетроэнергию. В Европе электроэнергия значительно дороже чем в России, поэтому каждый европеец пытается подбирать технологичное оборудование, потребялющее как можно меньше энергии. У нас же об этом задумывается гораздо меньшее количество людей, но и в нашей стране использвание энергосберегающих технологий способно благополучно сказаться на «толщине вашего кошелька». Оплачивая ежемесечные счета за электроэнергию мы не задумываемся, что годовые эксплутационные затраты – это внушительная сумма, которой могла бы быть потрачена на другие цели.
Основной источник потребления электроэнергии в вентиляционных установка, как не трудно догадаться, является вентилятор, а конкретнее электродвигатель (или мотор), благодаря которому вращается крыльчатка вентилятора.
Европейские стандарты электродвигалей DIN основаны на стандарте классификации энергоэффективности оборудования IEC (Международная электротехническая комиссия).
Согласно международным стандартам на сегодняшний день разработы четыре класса энергоэффективности двигателей IE1, IE2, IE3 и IE4. IE означает «International Energy Efficiency Class» - международный класс энергоэффективности
Ниже преведены кривые зависимости КПД двигателя, соответствующего класса энергетической эффективности, от номинальной мощности.
Начиная с 1 января 2017 года все европейские производители двигателей, согласно принятой директиве, будут производить электродвигатели класса энергоэффективности не ниже IE3
ТМ QuattroClima предлагает вентиляционные установки с асинхронными двигателями класса IE2 и IE3, также EC-моторами премиум-класса IE4.
Выбор типа вентилятора осуществляется нажатием левой кнопки мыши на вкладку «Вентилятор».
Радиальный вентилятор с прямой передачей – асинхронный двигатель (стандартно IE2).
Радиальный вентилятор c прямой передачей и двигателем EC соответствует классу IE4.
Выбрать нужный класс энергоэффективности асинхронного двигателя можно здесь же, чуть ниже.
Для наглядности, рассмотрим пример. Рассчитаем стандартную приточную установку расходом 20 000 м3/ч и свободным напором 500 Па в трех вариантах:
1) С асинхронным двигателем класса IE2
2) С асинхронным двигателем класса IE3
3) C EC-двигателем класса IE4
А затем сравним полученные результаты.
Установка с асинхронным двигателем класса IE2
Установка с асинхронным двигателем класса IE3
Установка с EC-двигателем класса IE4
В этом случае, программой подобралась секция из двух EC-вентиляторов.
Теперь сравним полученные результаты.
|
Техническая характеристика |
Асинхронный двигатель Класс энергоэффективности IE2 |
Асинхронный двигатель Класс энергоэффективности IE3 |
EC-двигатель |
|
КПД вентилятора, % |
|||
|
Номинальная мощность, кВт |
|||
|
Потребляемая мощность, кВт |
Потребляемая мощность двигателя класса IE3 меньше аналогичного двигателя класса IE2 на 0,18 КВт. А разница мозностей двух EC-моторов и двигателя IE2 составляет уже 1,16 кВт.
В случае аналогичных расчетов для приточно-вытяжных вентиляционных большерасходных вентиляционных агрегатов разница потреблемых мощностей двигателей IE2 и IE3 может достигать 25-30 %. А если на объекте, используется десятки установок, то энергопотребление вентиляци можно снизить на порядок и, благодаря этому, сэкономить сотни тысяч, а то и миллионы рублей.
В следующих статьях мы расскажем о других способах уменьшения потребляемой электродвигателями мощности при подборе вентиляционных установок в программе QC Ventilazione. Ранее мы рассказывали о повышении энергетической эффективности малорасходных вентиляционных агрегатов с роторными рекуператорами. Прочитать статью можно .
По всем миру сегодня шагает экономический кризис. Одной из его причин является кризис энергетический. Поэтому сегодня очень остро встает вопрос энергосбережения. Особенно эта тема актуальна для России и Украины, где затраты электроэнергии на единицу продукции в 5 раз выше, чем в развитых европейских странах. Уменьшение потребления электроэнергии предприятиями топливно-энергетического комплекса Украины и России основная задача науки, электротехнической и электронной промышленности этих стран. Более 60% используемой электроэнергии на предприятиях приходится на электропривод. Если учесть, что КПД его составляет не более 69%, то только используя энергосберегающие двигатели можно экономить более 120 ГВт/ч электроэнергии в год, что составит более 240 млн. рублей со 100 тыс. электродвигателей. Если добавит сюда еще экономию уменьшения установленной мощности, то получим более 10 млрд. рублей.
Если пересчитать эти цифры в экономию топлива то экономия получается 360-430 млн. тонн условного топлива в год. Такая цифра соответствует 30% всей внутренней потребленной энергии в стране. Если же добавить сюда экономию электроэнергии за счет применения частотно-регулируемого привода, то это число вырастает до 40%. В России уже подписан приказ о снижение энергоемкости к 2020 году на 40 %.
С сентября 2008 г в Европе был принят стандарт IEC 60034-30, где все двигатели делятся на 4 класса энергоэффективности:
Сегодня все крупные европейские производители приступили к выпуску энергоэффективных двигателей. Более того, все американские производители заменяют двигатели «высокой» энергоэффективности, на двигатели «высшей», PREMIUM энергоэффективности.
Освоение и внедрение электродвигателей высокой эффективности устраняет проблему необходимости увеличения установленной мощности электрооборудования и снижения выбросов вредных веществ в атмосферу. Кроме того снижение величины шума и вибрации, увеличение надежности всего электропривода является неоспоримым аргументом в пользу применения энергоэффективных асинхронных электродвигателей;
Асинхронные короткозамкнутые двигатели серии 7А (7AVE) относятся к трехфазным асинхронным электродвигателям, общепромышленной серии с короткозамкнутым ротором. Эти двигатели уже адаптированы для использования в схемах частотно-регулируемого электропривода. Они имеют КПД на 2-4% выше чем у аналогов, произведенных в России (EFFI). Выпускаются со стандартным рядом оси вращения: от 80 до 355 мм, рассчитаны на мощности от 1 до 500 кВт. Промышленность освоила двигатели со стандартной частотой вращения: 1000, 1500, 3000 об/мин и напряжения: 220/380, 380/660. Двигатели выполнены со степенью защиты соответствующей IP54 и изоляцие класса F. Допустимый перегрев соответствует классу B.
К преимуществам применения асинхронных двигателей серии 7А относится их высокая экономичность. Экономия электроэнергии при установленной мощности P уст.= 10 000 кВт на экономии энергии можно экономить до 700 тыс.дол/год. Другим преимуществом таких двигателей является их высокая надежность и срок службы, кроме того, у них ниже уровень шума примерно в 2-3 раза по отношению к двигателям предыдущих серий. Они позволяют производить большее число включений-выключений и более ремонтопригодные. Двигатели могут работать при колебаниях сети до 10 % по напряжению.
Особенности конструкции
В электродвигателях серии 7А используется обмотка нового вида, которую можно намотать на обмоточном оборудовании старого поколения. При изготовлении двигателей этой серии применяются новые пропиточные лаки, обеспечивающие более высокую цементацию и высокую теплопроводность. Значительно повышена эффективность использования магнитных материалов. В течение 2009 г. освоены габариты 160 и 180, а в течение 2010-2011 гг. были освоены габариты 280, 132, 200, 225, 250, 112, 315, 355 мм.
Высокомоментные малошумные энергоэффективные асинхронные двигатели с совмещенными обмотками
Основные преимущества:
Примером таких двигателей могут послужить асинхронные электродвигатели (АД) серии АДЭМ. Их можно приобрести у завода-изготовителя УралЭлектро . Двигатели серии АДЭМ по установочно – присоединительным размерам полностью соответствует ГОСТ Р 51689. По классу энергоэффективности соответствуют IE 2 по IEC 60034-30.
Проведение модернизационных, ремонтных и сервисных работ на АД другой модификации позволяет довести их основные характеристики до уровня двигателей АДЭМ в области уменьшения потребления тока и увеличения наработки на отказ в 2-5 раза
По мнению международных экспертов, 90% существующего парка насосных агрегатов потребляют на 60% больше электроэнергии, чем это требуется для существующих систем. Несложно представить, какие объемы природных ресурсов можно сберечь, если учитывать, что доля насосов в общемировом потреблении электрической энергии составляет около 20%.
Европейским союзом разработан и принят к действию новый стандарт IEC 60034-30, согласно которому установлено три класса энергоэффективности (IE - Международная энергоэффективность) односкоростных трехфазных асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором:
IE1 – стандартный класс энергоэффективности - примерно эквивалентен классу энергоэффективности EFF2, применяемому сейчас в Европе;
IE2 – высокий класс энергоэффективности - примерно эквивалентен классу энергоэффективности EFF1,
IE3 – высший класс энергоэффективности - новый класс энергоэффективности для Европы.
По требованиям упомянутого стандарта изменения касаются практически всех двигателей в диапазоне мощностей от 0,75 кВт до 375 кВт. Внедрение нового стандарта в Европе будет проходить в три этапа:
С января 2011 года все двигатели должны соответствовать классу IE2.
С января 2015 года все двигатели мощностью от 7,5 до 375 кВт должны быть классом не ниже IE3; при этом допускается двигатель класса IE2, но только при работе с частотно-регулируемым приводом.
С января 2017 года все двигатели мощностью от 0,75 до 375 кВт должны быть классом не ниже IE3; при этом допускается двигатель класса IE2 и при работе с частотно-регулируемым приводом.
Все двигатели, изготовленные по стандарту IE3, при определенных условиях экономят до 60% электрической энергии. Технология, применяемая в новых электродвигателях, позволяет максимально уменьшить потери в обмотке статора, пластинах статора и ротора двигателя, связанные с вихревыми токами и отставанием фаз. Кроме того, в этих двигателях сведены к минимуму потери при прохождении тока через пазы и контактные кольца ротора, а также потери на трение в подшипниках.
Электропривод - главный потребитель электрической энергии.
Сегодня он потребляет более 40% от всей производимой электроэнергии, а в ЖКХ до 80%. В условиях дефицита энергетических ресурсов это делает особенно острой проблему энергосбережения в электроприводе и средствами электропривода.
Современное состояние исследований и разработок в области реализации проекта
В последние годы, в связи с появлением надёжных и приемлемых по цене преобразователей частоты, широкое распространение стали получать регулируемые асинхронные приводы. Хотя их цена и остаётся достаточно высокой (в два–три раза дороже двигателя), они позволяют в ряде случаев снизить потребление электроэнергии и улучшить характеристики двигателя, приблизив их к характеристикам двигателей постоянного тока. Надёжность частотных регуляторов также в разы ниже, чем электродвигателей. Не каждый потребитель имеет возможность вложить такие огромные деньги на установку частотных регуляторов. В Европе к 2012 году лишь 15% регулируемых электроприводов укомплектовано двигателями постоянного тока. Поэтому актуально рассматривать проблему энергосбережения главным образом применительно к асинхронному электроприводу, в том числе частотно-регулируемому, оснащённому специализированными двигателями с меньшей материалоёмкостью и себестоимостью.
В мировой практике сложилось два основных направления решения указанной проблемы:
Первый – энергосбережение средствами электропривода за счёт подачи конечному потребителю в каждый момент времени необходимой мощности.
Второй – производство энергоэффективных двигателей, удовлетворяющих стандарту IE-3.
В первом случае усилия направлены на снижение стоимости частотных преобразователей. Во втором случае – на разработку новых электротехнических материалов и оптимизацию основных размеров электрических машин.
Новизна предлагаемого подхода
Суть технологических решений
Форма поля в рабочем зазоре стандартного двигателя.
Форма поля в рабочем зазоре двигателя с совмещёнными обмотками.
Основные преимущества двигателя с совмещенными обмотками:
ведет к дополнительным потерям электроэнергии. По осторожной оценке эта величина достигает 15-20% от суммарного потребления электроэнергии двигательной нагрузки (особенно низковольтного электропривода ). При снижении объемов производства часть привода не отключается по технологическим «соображениям». В этот период привод работает с более низким коэффициентом использования номинальной мощности (или вообще работает в холостую ). Это естественно увеличивает потери в электроприводе. По представленным замерам и упрощенным расчетам установлено, что средняя загрузка электропривода не превышает значения 50-55% от номинальной мощности электропривода. Неоптимальная загрузка асинхронных двигателей (АД) приводит к тому, что фактические потери превышают нормируемые. Снижение тока непропорционально снижению мощности – из-за уменьшения коэффициента мощности. Этот эффект сопровождается неоправданными дополнительными потерями в распределительных сетях. Расчетная зависимость уровня потерь электроэнергии в двигателях от уровня их загрузки может быть отражена в виде графика (см. рисунок ниже ). Одна из характерных «ошибок» – использование в расчетах усредненного значения сos , что ведет к искажению фактической картины соотношения активной и реактивной энергии.
Расширив динамическую область высоких значений КПД и сos для асинхронного двигателя, можно значительно уменьшить потери потребляемой электроэнергии!
Обоснование проекта и применяемые решения
1. Обмотки
Более 100 лет изобретатели во всех промышленно развитых станах мира предпринимали безуспешные попытки изобрести такие электродвигатели, которые могли бы заменить двигатели постоянного тока более простыми, надежными и дешевыми как асинхронные.
Решение было найдено в России, но установить действительного изобретателя на сегодняшний день не представляется возможным.
Существует патент RU 2646515 (на 01.01.2013 не действует) с приоритетом от 22.07.1991 года авторов: Власова В. Г. и Морозова Н. М., патентообладатель: Научно-производственное объединение «Кузбассэлектромотор» - «Статорная обмотка двухполюсного трёхфазного асинхронного двигателя», который практически полностью соответствует последующим заявкам на патенты Н. В. Яловеги, преподавателя Московского института электронной техники, от 1995 года (по этим заявкам патенты не выданы). Получается, что первоначальная идея не принадлежит Н. В. Яловеге который везде представляется изобретателям – «российского параметрического двигателя Яловеги» (РПДЯ). Но существует патент США, выданный 29.06.1993 г. Яловеге Н.В., Яловеге С.Н. и Беланову К.А., на электродвигатель аналогичный патенту РФ 1991 года, но создать по названным патентам электродвигатель никому не удалось т.к. теоретическое описание не содержит информации об конкретном исполнении обмоток, а «авторы» не могут дать разъяснений т.к. не обладают «видением» применения изобретения.
Вышеописанная ситуация с патентами указывает на то, что «авторы» патентов не являются истинными изобретателями, а скорее всего «подсмотрели» его воплощение у какого-то практика - обмотчика асинхронных двигателей, но не сумели развить реальное применение эффекта.
Электродвигатель с 2×3 двухслойными обмотками, сдвинутыми относительно друг друга получил название асинхронный электродвигатель с совмещенными обмотками (АЭД СО). Свойства АЭД СО позволили создать на его основе целый ряд технологического оборудования, отвечающего самым жестким требованиям энергосберегающих технологий. Выполненные проекты АЭД СО охватили мощностной ряд от 0,25 кВт до 2000 кВт.
2. Компаунд
Для заливки обмоток двигателей применяется компаунд ИКМ на основе метилвинилсилоксановой резины с минеральными наполнителями наноразмерных величин.
ИКМ является перспективным энерго- и ресурсосберегающим материалом для использования в производстве электрических проводов и кабелей, резино-технических изделий самой широкой номенклатуры. Позволяет заменить провода зарубежного производства в диапазоне температур от -100 до +400. Позволяет снизить полезное сечение провода в 1,5-3 раза при равных токовых нагрузках. Для изготовления используется российские минеральное и органическое сырье.
Созданный на основе свободного от галогенов (фтор, хлор) кремнеорганического каучука, он, по сравнению с применяемыми для этих целей традиционными материалами, обладает рядом важных и полезных эксплуатационных свойств:
Провода с ИКМ, представленные на экспертизу, перекрывают нормативные температурные параметры изоляции (ГОСТ 26445-85, ГОСТ Р МЭК 60331-21 2003) и могут применяться в современном автотракторном, авиационном, судовом и другом электрооборудовании в диапазоне температур от -100°С до +400°С.
Механические свойства ИКМ позволяют использовать их как в статическом, так и в динамическом режимах работы электротехнических устройств, подверженных высокому температурному нагреву без воздействия открытого огня до температуры +400 °С, а при открытом огне до температуры +700 °С в течение 240-ка минут.
Скрутки проводов (кабель) выдерживают кратковременную 20-кратную токовую перегрузку (до 10-ти минут) без нарушения их изоляции, что значительно превышает ГОСТ электроснабжения для различной техники, например, автотракторной, авиационной, судовой и др.
При внешнем обдуве ИКМ температурные нагрузочные характеристик можно увеличивать (зависит от потока обдува).
При горении изоляции отравляющие вещества не выделяются. Запах от испарения внешней окраски ИКМ появляется при температуре плюс 160 - 200 С.
Имеет место экранирующие свойства изоляции проводников.
Воздействия дегазирующих, дезактивирующих и дезинфицирующих и других растворов на качество изоляции проводов не оказывают.
Представленные на испытания провода типа ИКМ соответствуют ГОСТ 26445-85, ГОСТ Р МЭК 60331-21-2003 "Кабели нагревостойкие с кремнийорганической изоляцией, провод переносной с резиновой изоляцией".
3. Подшипники
Для уменьшения коэффициента трения в подшипниках применяется антифрикционная минеральная смазка ЦЕТИЛ.
Особенности:
Гарантируется непрерывная защита от износа трущихся металлических деталей;
Гарантируется длительное постоянство характеристик;
Высокая экономичность и энергоэффективность;
Оптимизация работы всех механических компонентов;
Высокая чистота процесса за счет применения только минеральных компонентов;
Экологичность;
Постоянная очистка механики от нагара и грязи;
Вредные выбросы полностью отсутствуют.
Преимущества твердых смазок ЦЕТИЛ:
Действующая концентрация ЦЕТИЛа в маслах и смазках составляет 0,001 – 0,002 %.
ЦЕТИЛ остается на трущихся поверхностях даже после полного стекания масла (при сухом трении) и полностью исключает эффекты граничного трения.
ЦЕТИЛ является химически инертным веществом, не окисляется, не выгорает и сохраняет свои свойства неопределенно долгое время.
Работает при температурах до 1600 градусов.
Применение ЦЕТИЛа в несколько раз увеличивает сроки эксплуатации масел и смазок.
ЦЕТИЛ является нанокомплексом минеральных частиц – размер частиц исходного концентрата составляет 14-20 нм.
Аналогов с такими свойствами в мире нет.
Почти за 100 лет существования асинхронных двигателей в них совершенствовались применяемые материалы, конструкция отдельных узлов и деталей, технология изготовления; однако принципиальные конструкторские решения, предложенные русским изобретателем М. О. Доливо-Добровольским , в основном оставались неизменными до момента изобретения двигателей с совмещёнными обмотками.
Методические подходы в расчетах асинхронных двигателей
Традиционный подход к расчету асинхронного двигателя
В современных подходах к расчету асинхронных двигателей используется постулат об идентичности синусоидальной формы потока магнитного поля и его равномерности под всеми зубцами статора. Исходя из этого постулата, расчеты велись для одного зубца статора , а машинное моделирование проводилось исходя из выше указанных предположений. При этом не стыковки между расчетными и реальными моделями работы асинхронного двигателя компенсировались применением большого числа поправочных коэффициентов. При этом расчет проводился для номинального режима работы асинхронного двигателя.
Суть нашего нового подхода состоит в том, что при расчетах проводился повременной срез мгновенных значений магнитного потока для каждого зубца на фоне распределения поля всех зубцов. Пошаговый (повременной) и кадровый срез динамики значений магнитного поля для всех зубцов статора серийных асинхронных двигателей позволил установить следующее:
поле на зубцах имеет не синусоидальную форму;
поле поочередно отсутствует у части зубцов;
не синусоидальное по форме и имеющее разрывы в пространстве магнитное поле формирует такую же структуру тока в статоре.
В течении ряда лет были проведены многотысячные измерения и расчеты мгновенных значений магнитного поля в пространстве асинхронных двигателей различных серий. Это позволило отработать новую методологию расчета магнитного поля и наметить эффективные пути по улучшению основных параметров асинхронных двигателей.
Для улучшения характеристик магнитного поля был предложен очевидный способ - совмещение двух схем «звезды» и «треугольника» в одной обмотке.
Этот метод применялся и раньше целым рядом ученых и талантливых инженеров, обмотчиками электрических машин, но они шли эмпирическим путем.
Применение совмещенных обмоток в сочетании с новым пониманием теории протекания электромагнитных процессов в асинхронных двигателях дал ошеломляющий эффект!!!
Экономия электроэнергии, при той же полезной работе, достигает 30-50%, на 30-50% снижается пусковой ток. Повышаются максимальный и пусковой момент, КПД имеет высокое значение в широком диапазоне нагрузок, повышается cos , облегчается работа двигателя при пониженном напряжении.
Массовое внедрение асинхронных двигателей с совмещенными обмотками понизит потребление электроэнергии более чем на 30% и позволит улучшить экологическую обстановку.
В январе 2012 года завод «УралЭлектро» приступил к серийному производства асинхронных двигателей с совмещёнными обмотками общепромышленного исполнения серии АДЭМ.
В настоящее время ведутся работы по созданию тяговых приводов на основе двигателей с совмещёнными обмотками для электротранспорта.
31 января 2012 года электромобиль с таким приводом совершил первую поездку. Испытатели по достоинству оценили преимущества привода по сравнению со стандартными асинхронными и серийными.
Целевые рынки в РФ
Таблица применения асинхронных электродвигателей с совмещенными обмотками (ЭДСО) или модернизации обычных асинхронных электродвигателей до уровня АДСО для пассажирского транспорта, электротранспорта, ЖКХ, электроинструмента и отдельных видов промышленного оборудования
Выводы
Проект асинхроные электродвигатели с совмещенными обмотками (АДСО) имеет обширные рынки в РФ и за рубежом в соответствии с IEC 60034-30.
Для доминирования на рынке асинхронных двигателей с совмещенными обмотками требуется строительство завода с годовой программой - 2 млн. двигателей и 500 тыс. шт. преобразователей частоты (ПЧ) в год.
Номенклатура продукции завода, тыс. шт..
