Повышение энергоэффективности асинхронных двигателей. Снижение расходов при замене двигателя на энергоэффективный Энергоэффективность электропривода

Энергосберегающие двигатели

Умные решения по экономии электроэнергии

Энергосберегающие двигатели Сименс выпускаются с классами эффективности „EFF1“ и „EFF2“ по CEMEP

• Число полюсов 2 и 4
• Диапазон мощностей 1.1...90 кВт
• 50 Гц версия по IEC 34-2
• EFF1 (Высокоэффективные двигатели)
• EFF2 (Двигатели с улучшенной эффективностью)

Для уменьшения выброса CO 2 , производители двигателей обязались проводить маркировку двигателей по классам эффективности.

EPACT – двигатели для американского рынка

Всесторонняя линия двигателей по EPACT с IEC размерами

• Число полюсов: 2,4 и 6
• Диапазон мощностей: от 1 HP до 200 HP (0.75 кВт до 150 кВт)
• 60 Гц версии в IEEE 112b

В соотвествии с актом от октября 97 по EPACT, кпд двигателей, ввезенных напрямую или другими путями в США, должны удовлетворять минимальным значениям.

Преимущества для покупателя и окружающей среды

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.

Энергосберегающие двигатели серии 7А (7AVE): 7AVER 160S2, 7AVER 160М2, 7AVEC 160MA2, 7AVEC 160МB2, 7AVEC 160L2, 7AVER 160S4, 7AVER 160M4, 7AVEC 160М4, 7AVEC 160L4, 7AVER 160S6, 7AVER 160M6, 7AVEC 160М6, 7AVEC 160L6, 7AVER 160S8, 7AVER 160M8, 7AVEC 160МA8, 7AVEC 160МB8, 7AVEC 160L8

Мировое научно техническое сообщество уделяет вопросам энергосбережения и, следовательно, повышению энергоэффективности оборудования исключительное значение.

Такое внимание обусловлено двумя критическими факторами:
• 1. Повышение энергоэффективности позволяет замедлить процесс невосполнимого уменьшения медленно возобновляемых энергетических ресурсов, запасов которых осталось всего на несколько поколений;
• 2. Повышение энергоэффективности напрямую ведет к улучшению экологической обстановки.

Асинхронные двигатели — основные потребители энергии в промышленности, сельском хозяйстве, строительстве, ЖКХ. На их долю приходится около 60% всех энергозатрат в названных отраслях.

Такая структура энергопотребления существует во всех промышленно развитых странах, в связи с чем, они активно переходят на эксплуатацию электродвигателей повышенной энергоэффективности, использование таких двигателей становится обязательным.

Серия 7AVE создана с применением российского стандарта ГОСТ Р 51689-2000, вариант I, и европейского стандарта CENELEC, IEC 60072-1, что позволит устанавливать новые энергосберегающие электродвигатели как на отечественное оборудование, так и на импортное, где в настоящее время используются двигатели иностранного производства.

Серия 7АVE предусматривает повышение КПД от 1,1% (старшие габариты) до 5% (младшие габариты) и охватывает самый востребованный диапазон мощностей от 1,5 до 500 кВт.

Создание энергоэффективных двигателей серии 7АVE гармонизируется и с таким важнейшим направлением в деле энергосбережения, как разработка двигателей для частотно-регулируемого привода, поскольку энергоэффективный двигатель обладает лучшими регулировочными свойствами, в частности, большим запасом по максимальному моменту. Здесь действует простое правило: чем больше класс энергоэффективности общепромышленного двигателя, тем шире его зона применения в частотно-регулируемом приводе.

Особенности конструкции двигателей серии 7АVE:
• Магнитная система.
  Увеличена эффективность использования магнитных материалов, жесткость системы.
• Обмотка нового вида.
  Используется статорообмоточное оборудование нового поколения.
• Пропитка.
  Новое оборудование и пропиточные лаки обеспечили высокую цементацию обмотки и высокую теплопроводность.

Технологические преимущества двигателей классов энергоэффективности IE2 и IE3:
• Двигатели новой серии обладают низкими шумовыми характеристиками (на 3-7 дБ ниже, чем у двигателей предыдущей серии), т.е. более эргономичны. Снижение уровня шума на 10 дБ означает снижение его фактического значения в 3 раза.
• Двигатели 7AVE обладают более высокими показателями надежности за счет снижения рабочих температур. Данные двигатели изготавливаются с классом нагревостойкости «F», при фактических температурах, соответствующих более низкому классу изоляции «B». Это позволяет работать машинам с повышенным значением сервис фактора, т.е. обеспечить надежную работу при длительных перегрузках на 10-15%.
• Двигатели имеют сниженные значения нарастания температуры при заторможенном роторе, что позволяет обеспечить надежную работу в системе привода механизмов с частыми и тяжелыми пусками и реверсом.

Двигатели серии 7AVE (IE2, IE3) адаптированы к работе в составе частотно-регулируемого электропривода. За счет высокого сервис фактора двигатели могут работать в составе ЧРП без принудительной вентиляции.

Внедрение энергоэффективных двигателей обеспечивает:
• 1. Экономию потребления электроэнергии за счет более высоких КПД двигателей;
• 2. Экономию за счет снижения установленной мощности, необходимой для работы оборудования с энергоэффективным приводом.

Выпускает энергоэффективные двигатели серии 7АVE Владимирский электромоторный завод (ОАО «ВЭМЗ»).

Вопрос создания энергосберегающих электродвигателей возник одновременно с изобретением самих электрических машин. На Международной электротехнической выставке 1891 г. во Франкфурте-на-Майне, Чарльз Браун (впоследствии основавший компанию ABB) показал синхронный трехфазный генератор, собственного производства, КПД которого превышал 95%. Асинхронный трехфазный двигатель, представленный Михаилом Доливо-Добровольским, показал КПД 95%. С тех пор показатели КПД трехфазного асинхронного двигателя удалось улучшить всего на один-два процента.

Наиболее остро интерес к энергосберегающим двигателям возник в конце 1970-х годов во время мире нефтяного энергетического кризиса. Оказалось, что сэкономить одну тонну условного топлива во много раз дешевле, чем добыть.Во время кризиса во много раз выросли капиталовложения в сферу энергосбережения. Во многих странах стали выделять специальные гранды на энергосберегающие программы.

После проведения анализа проблемы энергосбережения оказалось, что более половину электроэнергии, вырабатываемой в мире, расходуют электродвигатели. Потому над их совершенствованием работают все ведущие электротехнические компании в мире.

Что же такое энергосберегающие двигатели?

Это электродвигатели, КПД которых на 1–10% выше, чем у стандартных двигателей. В крупных энергосберегающих двигателях, разница в значениях КПД составляет 1–2%, а в двигателях малой и средней мощности эта разница составляет уже 7–10%.

КПД электродвигателей Siemens

Увеличение КПД в в энергосберегающих двигателях достигается за счет:

• увеличения доли активных материалов – меди и стали;
• использование более тонкой и высококачественной электротехнической стали;
• применение вместо алюминия меди в роторных обмотках;
• уменьшения воздушного зазора в статоре с помощью прецизионного технологического оборудования;
• оптимизации формы зубцовой зоны магнитопровода и конструкции обмоток;
• использование подшипников более высокого класса;
• особой конструкции вентилятора;

По статистическим данным, цена всего двигателя составляет менее 2% суммарных затрат на жизненный цикл. Так, если двигатель работает 4000 часов ежегодно в течение 10 лет, то на электроэнергию приходится примерно 97% всех затрат на весь жизненный цикл. Еще около одного процента приходится на монтаж и техобслуживание. Поэтому увеличение КПД двигателя средней мощности на 2% позволит окупить увеличение стоимости энергосберегающего двигателя уже через 3 года, в зависимости от режима работы. Практический опыт и расчеты показывают, что увеличение стоимости энергосберегающего двигателя окупается за счет сэкономленной электроэнергии при эксплуатации в режиме S1 за год-полтора (при годовой наработке 7000 часов).

В общем случае переход к применению энергосберегающего двигателя позволяет:

• увеличить КПД двигателя на 1–10%;
• повысить надежность его работы;
• снизить время простоев;
• уменьшить затраты на техобслуживание;
• увеличить устойчивость двигателя к тепловым перегрузкам;
• повысить перегрузочную способность;
• поднять устойчивость двигателя к ухудшению эксплуатационных условий;
• сниженному и завышенному напряжению, искажению формы кривой напряжения, перекосу фаз и т. д.;
• повысить коэффициент мощности;
• уменьшить уровень шума;
• поднять скорость двигателя за счет уменьшения скольжения;

Отрицательным свойством электродвигателей с повышенным КПД по сравнению с обычными являются:

• на 10 – 30% выше стоимость;
• несколько больше масса;
• более высокая величина пускового тока.

В некоторых случаях использование энергоэффективного двигателя является нецелесообразным:

• при эксплуатации двигателя эксплуатируется короткое время (менее 1–2 тыс.часов/год), внедрение энергоэффективного двигателя может не внести существенного вклада в энергосбережение;
• при работе двигателя в режимах с частым запуском, так как сэкономленная электроэнергия будет израсходована на более высокое значение пускового тока;
• при работе двигателя работает с недогрузом, за счет уменьшения КПД при работе на нагрузку ниже номинальной.

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.

При выборе в пользу энергоэффективного двигателя, необходимо тщательно подходить к вопросу цены. По прогнозам аналитиков медь будет дорожать значительно быстрее стали. Поэтому там, где есть возможность, применять так называемые стальные двигатели (с меньшей площадью пазов), то лучше применять их. Такие двигатели имеют меньшую стоимость за счет экономии меди. По тем же причинам необходимо относиться к энергосберегающим двигателям с постоянными магнитами. Если вам в будущем придется искать замену такого двигателя. может оказаться, что его цена будет слишком высока, а замена его на энергосберегающий двигатель общепромышленного исполнения будет затруднительна из за несоответствия габаритов. По оценкам экспертов постоянные магниты из редкоземельных материалов будут дорожать больше и быстрее, чем медь, что приведет к значительному подорожанию таких двигателей. Хотя такие двигатели при высшем классе энергоэффективности достаточно компактны, их внедрение в промышленность ограничено тем, что постоянные магниты сейчас востребованы в других отраслях, нежели общепром, и, по оценкам специалистов будут использоваться при выпуске специальной техники, на которую денег не жалеют.

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..

Около 60% потребляемой в промышленности электроэнергии тратится на электропривод рабочих машин. При этом основными потребителями электроэнергии являются электродвигатели переменного тока. В зависимости от структуры производства и характера технологических процессов доля энергопотребления асинхронных двигателей составляет 50…80%, синхронных двигателей 6…8%. Совокупный КПД электродвигателей составляет около 70%, поэтому уровень их энергоэффективности играет значительную роль в решении задачи энергосбережения.

В сфере разработки и производства электродвигателей с 01.06.2012 г. введен в действие национальный стандарт ГОСТ Р 54413-2011 , основанный на международном стандарте IEC 60034-30:2008 и устанавливающий четыре класса энергоэффективности двигателей: IE1 – нормальный (стандартный), IE2 – повышенный, IE3 – премиум, IE4 – супер-премиум. Стандартом предусмотрен ступенчатый переход производства на более высокие классы энергоэффективности. С января 2015 г. все выпускаемые электродвигатели мощностью 0,75…7,5 кВт должны иметь класс энергоэффектиности не ниже IE2, а 7,5…375 кВт – не ниже IE3 или IE2 (с обязательной комплектацией преобразователем частоты). С января 2017 г. все выпускаемые электродвигатели мощностью 0,75…375 кВт должны иметь класс энергоэффектиности не ниже IE3 или IE2 (допускается при работе в частотно-регулируемом приводе).

В асинхронных двигателях повышение энергоэффективности достигается :

Применением новых марок электротехнической стали с меньшими удельными потерями и меньшей толщиной листов сердечников.

Уменьшением воздушного зазора между статором и ротором и обеспечением его равномерности (способствует снижению намагничивающей составляющей тока обмотки статора, уменьшению дифференциального рассеяния и снижению электрических потерь).

Снижением электромагнитных нагрузок, т.е. увеличением массы активных материалов при уменьшении количества витков и увеличении сечения проводника обмотки (приводит к снижению сопротивлений обмоток и электрических потерь).

Оптимизацией геометрии зубцовой зоны, применением современной изоляции и пропиточного лака, новых марок обмоточного провода (увеличивает коэффициент заполнения паза медью до 0,78…0,85 вместо 0,72…0,75 в электродвигателях стандартной энергоэффективности). Приводит к снижению сопротивлений обмоток и электрических потерь.

Применением меди для изготовления короткозамкнутой обмотки ротора взамен алюминия (приводит к снижению электрического сопротивления обмотки ротора на 33% и соответствующему снижению электрических потерь).

Применением высококачественных подшипников и стабильных маловязких смазок, выносом подшипников за пределы подшипникового щита (улучшает обдув подшипников и теплоотдачу, снижает уровень шума и механические потери).

Оптимизацией конструкции и производительности вентиляционного узла с учетом меньшего нагрева электродвигателей повышенной энергоэффективности (снижает уровень шума и механические потери).

Применением более высокого класса нагревостойкости изоляции F при обеспечении перегрева по классу В (позволяет избежать переустановленной мощности в приводе с систематическими перегрузками до 15%, эксплуатировать двигатели в сетях с существенными колебаниями напряжения, а также при повышенной температуре окружающей среды без снижения нагрузки).

Учёт при проектировании возможности работы с преобразователем частоты.

Серийное производство энергоэффективных двигателей освоено такими известными фирмами как Siemens, WEG, General electric, SEW Eurodrive, ABB, Baldor, MGE-Motor, Grundfos, ATB Brook Crompton. Крупным отечественным производителем является Российский электротехнический концерн «РУСЭЛПРОМ».

Наибольшего повышения энергоэффективности удается достичь в синхронных двигателях с постоянными магнитами, что объясняется отсутствием основных потерь в роторе и использованием высокоэнергетических магнитов. В роторе, ввиду отсутствия обмотки возбуждения, выделяются только добавочные потери от высших гармонических в сердечнике ротора, постоянных магнитах и короткозамкнутой пусковой обмотке. Для изготовления постоянных магнитов ротора используется высокоэнергетический сплав на основе неодима NdFeB, магнитные параметры которого в 10 раз выше ферритовых магнитов, что обеспечивает значительное повышение КПД. Известно, что КПД большинства синхронных двигателей с постоянными магнитами соответствует классу энергоэффективности IE3 и в ряде случаев превышает IE4.

К недостаткам синхронных двигателей с постоянными магнитами относятся: снижение КПД с течением времени из-за естественной деградации постоянных магнитов и их высокая стоимость.

Срок службы постоянных магнитов составляет 15…30 лет, однако вибрации, склонность к коррозии при повышенной влажности и размагничивание при температурах 150° С и выше (в зависимости от марки) могут уменьшить его до 3...5 лет.

Крупнейшим производителем и экспортером редкоземельных металлов (РЗМ) является Китай, владеющий 48% мировых ресурсов и обеспечивающий 95% мировых потребностей. В последние годы Китай значительно ограничил экспорт РЗМ, образуя их дефицит на мировом рынке и поддерживая высокие цены. Россия владеет 20% мировых ресурсов РЗМ, однако их добыча составляет лишь 2% мировой добычи, а производство изделий из РЗМ менее 1%. Таким образом, в ближайшие годы цены на постоянные магниты будут высокими, что отразится на стоимости синхронных двигателей с постоянными магнитами.

Ведутся работы по снижению стоимости постоянных магнитов. Национальным институтом материаловедения NIMS (Япония) разработана марка постоянных магнитов на основе неодима NdFe12N с меньшим содержанием неодима (17% вместо 27% в NdFe12B), лучшими магнитными свойствами и высокой температурой размагничивания 200°С . Известны работы по созданию постоянных магнитов без редкоземельных металлов на основе железа и марганца, имеющих, лучшие характеристики, чем с редкоземельными металлами и не размагничивающиеся при высокой температуре.

Синхронные двигатели с постоянными магнитами класса энергоэффективности IE4 производят: WEG, Baldor, Marathon Electric, Nova Torque, Grundfos, SEW Eurodrive, WEM Motors, Bauer Gear Motor, Leroy Somer, Mitsubishi Electric, Hitachi, Lafert Motors, Lönne, Hiosung, Motor Generator Technology, Hannig Electro-Werke, Yaskawa.

Современные серии электродвигателей адаптированы для работы с преобразователями частоты и имеют следующие конструктивные особенности: обмоточный провод с двухслойной нагревостойкой витковой изоляцией; изоляционные материалы, рассчитанные на напряжения до 2,2 от номинального; электрическая, магнитная и геометрическая симметрия электродвигателя; изолированные подшипники и дополнительный болт заземления на корпусе; принудительная вентиляция при глубоком диапазоне регулирования; установка высокочастотных синусоидальных фильтров.

Такие широко известные на рынке производители как Grundfos, Lafert Motors, SEW Eurodrive для повышения компактности и уменьшения габаритов частотно-регулируемого привода производят электродвигатели, интегрированные с преобразователями частоты.

Стоимость энергоэффективных электродвигателей в 1,2…2 раза больше стоимости электродвигателя стандартной энергоэффективности, поэтому срок окупаемости дополнительных затрат составляет 2…3 года в зависимости от среднегодовой наработки .

Список литературы

1. ГОСТ Р 54413-2011 Машины электрические вращающиеся. Часть 30. Классы энергоэффективности односкоростных трехфазных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором (код IE).

2. Сафонов А.С. Основные мероприятия по повышению энергоэффективности электрооборудования АПК // Тракторы и сельхозмашины. № 6, 2014. с. 48-51.

3. Сафонов А.С. Применение энергоэффективных электродвигателей в сельском хозяйстве // Труды II Международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы науки и техники», выпуск II. Россия, г. Самара, 7 апреля 2015. ИЦРОН, 2015. С. 157-159.

4. Стандарт IEC 60034-30:2008 Машины электрические вращающиеся. Часть 30. Классы КПД односкоростных трехфазных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором (код IE).

5. Шумов Ю.Н., Сафонов А.С. Энергоэффективные асинхронные двигатели с медной обмоткой ротора, отлитой под давлением (обзор зарубежных публикаций) // Электричество. № 8, 2014. с. 56-61.

6. Шумов Ю.Н., Сафонов А.С. Энергоэффективные электрические машины (обзор зарубежных разработок) // Электричество. № 4, 2015. с. 45-47.