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.
Современные трехфазные энергосберегающие двигатели позволяют существенно снизить затраты на электроэнергию благодаря более высокому коэффициенту полезного действия. Другими словами такие двигатели способны выработать большее количество механической энергии из каждого затраченного киловатта электрической энергии. Более эффективное расходование энергии достигается за счет индивидуальной компенсации реактивной мощности. При этом конструкция энергосберегающих электродвигателей отличается высокой надежностью и длительным сроком службы.
Универсальный трехфазный энергосберегающие электродвигатель Вesel 2SIE 80-2B исполнение IMB14
Применение трехфазных энергосберегающих двигателей
Использовать трехфазные энергосберегающие двигатели можно практически во всех отраслях. От обычных трехфазных двигателей они отличаются лишь малым потреблением энергии. В условиях постоянного роста цен на энергоносители энергосберегающие электродвигатели могут стать по-настоящему выгодным вариантом как для небольших производителей товаров и услуг, так и для крупных промышленных предприятий.
Деньги, потраченные на приобретение трехфазного энергосберегающего двигателя, достаточно быстро возвратятся к вам в виде экономии средств, направляемых на приобретение электричества. Наш магазин предлагает вам получить дополнительную выгоду, приобретя качественный трехфазный энергосберегающий двигатель по действительно невысокой цене. Замена устаревших морально и физически электродвигателей на новейшие высокотехнологичные энергосберегающие модели – ваш очередной шаг на новый уровень рентабельности бизнеса.
В энергосберегающих двигателях за счет увеличения массы активных материалов (железа и меди) повышены номинальные значения КПД и cosj. Энергосберегающие двигатели используются, например, в США, и дают эффект при постоянной нагрузке. Целесообразность применения энергосберегающих двигателей должна оцениваться с учетом дополнительных затрат, поскольку небольшое (до 5%) повышение номинальных КПД и cosj достигается за счет увеличения массы железа на 30-35%, меди на 20-25%, алюминия на 10-15%, т.е. удорожания двигателя на 30-40%.
Ориентировочные зависимости КПД (h) и соs j от номинальной мощности для обычных и энергосберегающих двигателей фирмы Гоулд (США) приведены на рисунке.
Повышение КПД энергосберегающих электродвигателей достигается следующими изменениями в конструкции:
· удлиняются сердечники, собираемые из отдельных пластин электротехнической стали с малыми потерями. Такие сердечники уменьшают магнитную индукцию, т.е. потери в стали.
· уменьшаются потери в меди за счет максимального использования пазов и использования проводников повышенного сечения в статоре и роторе.
· добавочные потери сводятся к минимуму за счет тщательного выбора числа и геометрии зубцов и пазов.
· выделяется при работе меньше тепла, что позволяет уменьшить мощность и размеры охлаждающего вентилятора, что приводит к уменьшению вентиляторных потерь и, следовательно, уменьшению общих потерь мощности.
Электродвигатели с повышенным КПД обеспечивают уменьшение расходов на электроэнергию за счет сокращения потерь в электродвигателе.
Проведенные испытания трех «энергосберегающих» электродвигателей показали, что при полной нагрузке полученная экономия составила: 3,3% для электродвигателя 3 кВт, 6% для электродвигателя 7,5 кВт и 4,5% для электродвигателя 22 кВт.
Экономия при полной нагрузке приблизительно составляет 0,45 кВт, что при стоимости энергии 0,06 доллара/кВт. ч составляет 0,027 доллара/ч. Это эквивалентно 6% эксплуатационных затрат электродвигателя.
Цена обычного электродвигателя 7,5 кВт, приводимая в прайс-листах, составляет 171 доллар США, тогда как стоимость электродвигателя с повышенным КПД - 296 долларов США (надбавка к цене - 125 долларов США). Из приведенной таблицы следует, что период окупаемости для электродвигателя с повышенным КПД, рассчитанный на основе маргинальных издержек, составляет приблизительно 5000 часов, что эквивалентно 6,8 месяцев работы электродвигателя при номинальной нагрузке. При меньших нагрузках период окупаемости будет несколько больше.
Эффективность использования энергосберегающих двигателей будет тем выше, чем больше загрузка двигателя и чем ближе режим работы его к постоянной нагрузке.
Применение и замена двигателей на энергосберегающие должна оцениваться с учетом всех дополнительных затрат и сроков их эксплуатации.
В соответствии с Федеральным законом РФ "Об энергосбережении" на промышленном предприятии должны быть разработаны мероприятия по экономии электроэнергии применительно к каждой электроустановке. В первую очередь это относится к электромеханическим устройствам с электрическим приводом, основной элемент которого электродвигатель . Известно, что более половины всей производимой в мире электроэнергии потребляется электродвигателями в электроприводах рабочих машин, механизмов, транспортных средств. Поэтому меры по экономии электроэнергии в электроприводах наиболее актуальны.
Задачи энергосбережения требуют оптимального решения не только в процессе эксплуатации электрических машин, но и при их проектировании. В процессе эксплуатации двигателя значительные потери энергии наблюдаются в переходных режимах и в первую очередь при его пуске.
Потери энергии в переходных режимах могут быть заметно снижены за счет применения двигателей с меньшими значениями моментов инерции ротора, что достигается уменьшением диаметра ротора при одновременном увеличении его длины, так как мощность двигателя при этом должна оставаться неизменной. Например, так сделано в двигателях краново-металлургических серий, предназначенных для работы в повторно-кратковременном режиме, с большим числом включений в час.
Эффективным средством снижения потерь при пуске двигателей является пуск при постепенном повышении напряжения, подводимого к обмотке статора. Энергия, расходуемая при торможении двигателя, равна кинетической энергии, запасенной в движущихся частях электропривода при его пуске. Энергосберегающий эффект при торможении зависит от способа торможения. Наибольший энергосберегающий эффект происходит при генераторном рекуперативном торможении с отдачей энергии в сеть. При динамическом торможении двигатель отключается от сети, запасенная энергия рассеивается в двигателе и расхода энергии из сети не происходит.
Наибольшие потери энергии наблюдаются при торможении противовключением, когда расход электроэнергии равен трехкратному значению энергии, рассеиваемой в двигателе при динамическом торможении. При установившемся режиме работы двигателя с номинальной нагрузкой потери энергии определяются номинальным значением КПД. Но если электропривод работает с переменной нагрузкой, то в периоды спада нагрузки КПД двигателя понижается, что ведет к росту потерь. Эффективным средством энергосбережения в этом случае является снижение напряжения, подводимого к двигателю в периоды его работы с недогрузкой. Этот способ энергосбережения возможно реализовать при работе двигателя в системе с регулируемым преобразователем при наличии в нем обратной связи по току нагрузки. Сигнал обратной связи по току корректирует сигнал управления преобразователем, вызывая уменьшение напряжения, подводимого к двигателю в периоды снижения нагрузки.
Если же приводным является асинхронный двигатель, работающий при соединении обмоток статора "треугольником" , то снижение подводимого к фазным обмоткам напряжения можно легко реализовать путем переключения этих обмоток на соединение "звездой" , так как в этом случае фазное напряжение понижается в 1,73 раза. Этот метод целесообразен еще и потому, что при таком переключении повышается коэффициент мощности двигателя, что также способствует энергосбережению.
При проектировании электропривода важным является правильный выбор мощности двигателя . Так, выбор двигателя завышенной номинальной мощности ведет к снижению его технико-экономических показателей (КПД и коэффициента мощности), вызванных недогрузкой двигателя. Такое решение при выборе двигателя ведет как к росту капитальных вложений (с ростом мощности увеличивается стоимость двигателя), так и эксплуатационных расходов, поскольку с уменьшением КПД и коэффициента мощности растут потери, а, следовательно, растет непроизводительный расход электроэнергии. Применение двигателей заниженной номинальной мощности вызывает их перегрузку при эксплуатации. Вследствие этого растет температура перегрева обмоток, что способствует росту потерь и вызывает сокращение срока службы двигателя. В конечном счете возникают аварии и непредвиденные остановки электропривода и, следовательно, растут эксплуатационные расходы. В наибольшей степени это относится к двигателям постоянного тока из-за наличия у них щеточно-коллекторного узла, чувствительного к перегрузке.
Большое значение имеет рациональный выбор пускорегулирующей аппаратуры . С одной стороны, желательно, чтобы процессы пуска, торможения реверса и регулирования частоты вращения не сопровождались значительными потерями электроэнергии, так как это ведет к удорожанию эксплуатации электропривода. Но, с другой стороны, желательно, чтобы стоимость пускорегулирующих устройств не была бы чрезвычайно высокой, что привело бы к росту капитальных вложений. Обычно эти требования находятся в противоречии. Например, применение тиристорных пускорегулирующих устройств обеспечивает наиболее экономичное протекание процессов пуска и регулирования двигателя, но стоимость этих устройств пока еще остается достаточно высокой. Поэтому при решении вопроса целесообразности применения тиристорных устройств следует обратиться к графику работы проектируемого электропривода. Если электропривод не подвержен значительным регулировкам частоты вращения, частым пускам, реверсам и т.п., то повышенные затраты на тиристорное либо другое дорогостоящее оборудование могут оказаться неоправданными, а расходы, связанные с потерями энергии, - незначительными. И наоборот, при интенсивной эксплуатации электропривода в переходных режимах применение электронных пускорегулирующих устройств становится целесообразным. К тому же следует иметь в виду, что эти устройства практически не нуждаются в уходе и их технико-экономические показатели, включая надежность, достаточно высоки. Необходимо, чтобы решение по применению дорогостоящих устройств электропривода подтверждалось технико-экономическими расчетами.
Решению проблемы энергосбережения способствует применение синхронных двигателей, создающих в питающей сети реактивные токи, опережающие по фазе напряжение. В итоге сеть разгружается от реактивной (индуктивной) составляющей тока, повышается коэффициент мощности на данном участке сети, что ведет к уменьшению тока в этой сети и, как следствие, к энергосбережению. Эти же цели преследует включение в сеть синхронных компенсаторов . Примером целесообразного применения синхронных двигателей является электропривод компрессорных установок, снабжающих предприятие сжатым воздухом. Для этого электропривода характерен пуск при небольшой нагрузке на валу, продолжительный режим работы при стабильной нагрузке, отсутствие торможений и реверсов. Такой режим работы вполне соответствует свойствам синхронных двигателей.
Используя в синхронном двигателе режим перевозбуждения, можно достичь значительного энергосбережения в масштабе всего предприятия. С аналогичной целью применяют силовые конденсаторные установки ("косинусные" конденсаторы). Создавая в сети ток, опережающий по фазе напряжение, эти установки частично компенсируют индуктивные (отстающие по фазе) токи, что ведет к повышению коэффициента мощности сети, а следовательно, к энергосбережению. Наиболее эффективным является применение конденсаторных установок типа УКМ 58 с автоматическим поддержанием заданного значения коэффициента мощности и со ступенчатым изменением реактивной мощности в диапазоне от 20 до 603 квар при напряжении 400 В.
Необходимо помнить, что энергосбережение направлено на решение не только экономических, но и экологических проблем, связанных с производством электроэнергии.
УДК 621.313.333:658.562
ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫЕ АСИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ ДЛЯ РЕГУЛИРУЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА
О.О. Муравлева
Томский политехнический университет E-mail: [email protected]
Рассмотрена возможность создания энергоэффективных асинхронных двигателей без изменения поперечного сечения для регулируемых электроприводов, что позволяет обеспечить реальное энергосбережение. Показаны пути обеспечения энергосбережения за счет использования асинхронных двигателей повышенной мощности в насосных агрегатах сферы жилищно-коммунального хозяйства. Проведенные экономические расчеты и анализ результатов показывают экономическую эффективность использования двигателей повышенной мощности, несмотря на увеличение стоимости самого двигателя.
Введение
В соответствии с «Энергетической стратегией на период до 2020 года» высшим приоритетом государственной энергетической политики является повышение энергоэффективности промышленности. Эффективность российской экономики существенно снижается из-за ее высокой энергоемкости. По этому показателю Россия опережает США в 2,6 раза, Западную Европу в 3,9 раза, Японию - в 4,5 раза . Лишь отчасти указанные различия могут быть оправданы суровыми климатическими условиями России и обширностью ее территории. Одним из основных способов предотвращения энергетического кризиса в нашей стране - проведение политики, предусматривающей масштабное внедрение на предприятиях энерго- и ресурсосберегающих технологий. Энергосбережение превратилось в приоритетное направление технической политики во всех развитых странах мира.
В ближайшем будущем проблема энергосбережения повысит свой рейтинг при ускоренном развитии экономики, когда появится дефицит электрической энергии и компенсировать его можно двумя путями - введением новых энергогенерирующих систем и энергосбережением. Первый путь более дорогой и длительный во времени, а второй -значительно быстрее и экономически выгоднее потому, что 1 кВт мощности при энергосбережении стоит в 4...5 раз меньше, чем в первом случае. Большие затраты электрической энергии на единицу всеобщего валового продукта создают огромный потенциал энергосбережения в народном хозяйстве. В основном высокая энергоемкость экономики вызвана использованием энергорасточительных технологий и оборудования, большими потерями энергоресурсов (при их добыче, переработке, преобразовании, транспорте и потреблении), нерациональной структурой экономики (высокая доля энергоемкого промышленного производства). В результате накопился обширный потенциал энергосбережения, оцениваемый в 360.430 млн. т у. т., или 38.46 % современного потребления энергии . Реализация этого потенциала может позволить при росте экономики за 20 лет в 2,3...3,3 раза ограничиться ростом потребления энергии всего в 1,25.1,4 раза, значительно повысить качество жизни граждан и конкурентоспособность отечествен-
ных товаров и услуг на внутреннем и внешнем рынках. Таким образом, энергосбережение является важным фактором экономического роста и повышения эффективности народного хозяйства.
Целью данной работы является рассмотрение возможностей создания энергоэффективных асинхронных двигателей (АД) для регулируемых электроприводов для обеспечения реального энергосбережения.
Возможности создания энергоэффективных
асинхронных двигателей
В настоящей работе на основе системного подхода определены эффективные пути обеспечения реального энергосбережения. Системный подход к энергосбережению объединяет два направления - совершенствование преобразователей и асинхронных двигателей. Учитывая возможности современной вычислительной техники, совершенствование методов оптимизации, приходим к необходимости создания программно-вычислительного комплекса для проектирования энергоэффективных АД, работающих в регулируемых электроприводах. Принимая во внимание большой потенциал энергосбережения в жилищнокоммунальном хозяйстве (ЖКХ), рассмотрим возможности применения регулируемого электропривода на базе асинхронных двигателей в этой сфере.
Решение проблемы энергосбережения возможно при совершенствовании регулируемого электропривода на базе асинхронных двигателей, которые должны быть спроектированы и изготовлены специально для энергосберегающих технологий. В настоящее время потенциал энергосбережения для самых массовых электроприводов - насосных агрегатов составляет более 30 % от потребляемой мощности. На основании мониторинга в Алтайском крае можно получить при использовании регулируемого электропривода на базе асинхронных двигателей следующие показатели: экономия электроэнергии - 20.60 %; экономия воды - до 20 %; исключение гидравлических ударов в системе; снижение пусковых токов двигателей; минимизация затрат на обслуживание; снижение вероятности возникновения аварийных ситуаций . Это требует совершенствования всех звеньев электропривода, и, прежде всего, основного элемента, выполняющего электромеханическое преобразование энергии, - асинхронного двигателя.
Сейчас в большинстве случаев в регулируемом электроприводе используются серийные асинхронные двигатели общего назначения. Уровень расхода активных материалов на единицу мощности АД практически стабилизировался. Согласно некоторым оценкам применение серийных АД в регулируемых электроприводах приводит к снижению их КПД и повышению установленной мощности на 15.20 % . Среди российских и зарубежных специалистов высказывается мнение о том, что для подобных систем нужны специальные двигатели. В настоящее время требуется новый подход к проектированию в связи с энергетическим кризисом. Масса АД перестала быть определяющим фактором. На первый план выходит повышение энергетических показателей, в том числе за счет увеличения их стоимости и расхода активных материалов.
Одним из перспективных способов совершенствования электропривода является проектирование и изготовление АД специально для конкретных условий эксплуатации, что благоприятно для обеспечения энергосбережения. При этом решается задача адаптации АД к конкретному электроприводу, что дает наибольший экономический эффект в условиях эксплуатации.
Следует отметить, что выпуск АД специально для регулируемого электропривода производят фирмы Simens (Германия), Atlans-Ge Motors (США), Lenze Bachofen (Германия), Leroy Somer (Франция), Мэйден (Япония). Существует устойчивая тенденция мирового электромашиностроения по расширению производства таких двигателей. На Украине разработан программный комплекс проектирования модификаций АД для регулируемого электропривода . В нашей стране утвержден ГОСТ Р 51677-2000 для АД с высокими энергетическими показателями и возможно в ближайшее время будет организован их выпуск. Применение модификаций АД, специально спроектированных для обеспечения эффективного энергосбережения, - перспективное направление для совершенствования асинхронных двигателей.
При этом встает вопрос об обоснованном выборе подходящего двигателя из разнообразной по исполнению, модификациям номенклатуры выпускаемых двигателей, потому что применение общепромышленных асинхронных двигателей для электропривода с регулируемой частотой вращения оказывается неоптимальным по массогабаритным, стоимостным и энергетическим показателям. В связи с этим требуется проектирование энергоэффективных асинхронных двигателей.
Энергоэффективным является асинхронный двигатель, в котором с использованием системного подхода при проектировании, изготовлении и эксплуатации повышены КПД, коэффициент мощности и надежность. Характерными требованиями к общепромышленным приводам являются минимизация капитальных и эксплуатационных затрат,
в том числе и на техническое обслуживание. В этой связи, а также в силу надежности и простоты механической части электропривода подавляющее большинство общепромышленных электроприводов строятся именно на основе асинхронного двигателя - наиболее экономичного двигателя, который конструктивно прост, неприхотлив и имеет низкую стоимость. Анализ проблем регулируемых асинхронных двигателей показал, что их разработка должна выполняться на основании системного подхода с учетом особенностей работы в регулируемых электроприводах .
В настоящее время в связи с возросшими требованиями к эффективности за счет решения вопросов энергосбережения и повышения надежности функционирования электротехнических систем приобретают особую актуальность задачи модернизации асинхронных двигателей для улучшения их энергетических характеристик (КПД и коэффициента мощности), получения новых потребительских качеств (совершенствование защиты от окружающей среды, в том числе герметизация), обеспечение надежности при проектировании, изготовлении и эксплуатации асинхронных двигателей. Поэтому при выполнении исследований и разработок в области модернизации и оптимизации асинхронных двигателей необходимо создание соответствующих методик для определения их оптимальных параметров, из условия получения максимальных энергетических характеристик, и расчета динамических характеристик (время пуска, нагрев обмоток и т.д.). В результате теоретических и экспериментальных исследований важно определить наилучшие абсолютные и удельные энергетические характеристики асинхронных двигателей, исходя из требований предъявляемых к регулируемому электроприводу переменного тока.
Стоимость преобразователя обычно в несколько раз выше стоимости асинхронного двигателя одинаковой мощности. Асинхронные двигатели являются основными преобразователями электрической энергии в механическую, и в значительной степени они определяют эффективность энергосбережения.
Существует три пути обеспечения эффективного энергосбережения при применении регулируемого электропривода на базе асинхронных двигателей:
Совершенствование АД без изменения поперечного сечения;
Совершенствование АД с изменением геометрии статора и ротора;
Выбор АД общепромышленного исполнения
большей мощности.
Каждый из этих способов имеет свои достоинства, недостатки и ограничения по применению и выбор одного их них возможен только путем экономической оценки соответствующих вариантов.
Совершенствование и оптимизация асинхронных двигателей с изменением геометрии статора и ротора даст больший эффект, спроектированный двигатель будет иметь лучшие энергетические и динамические характеристики. Однако при этом финансовые затраты на модернизацию и переоборудование производства для его выпуска составят значительные суммы. Поэтому на первом этапе рассмотрим мероприятия, которые не требуют больших финансовых затрат, но при этом позволяют обеспечить реальное энергосбережение.
Результаты исследования
В настоящее время АД для регулируемого электропривода практически не разрабатываются. Целесообразно использовать специальные модификации асинхронных двигателей, в которых сохраняются штампы на листы статора и ротора и основные конструкционные элементы. В данной статье рассматривается возможность создания энергоэффективных АД путем изменения длины сердечника статора (/), числа витков в фазе обмотки статора (№) и диаметра провода при использовании заводской геометрии поперечного сечения. На начальном этапе была произведена модернизация асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором за счет изменения только активной длины . В качестве базового двигателя взят асинхронный двигатель АИР112М2 мощностью 7,5 кВт, выпускающийся на ОАО «Сибэлектромотор» (г. Томск). Значения длины сердечника статора для расчетов принимались в диапазоне /=100.170 %. Результаты расчетов в виде зависимостей максимального (Ппш) и номинального (цн) КПД от длины для взятого типоразмера двигателя представлены на рис. 1.
Рис. 1. Зависимости максимального и номинального коэффициента полезного действия при различной длине сердечника статора
Из рис. 1 видно, как количественно изменяется значение КПД при увеличении длины. Модернизированный АД имеет номинальный КПД выше, чем у базового двигателя при изменении длины сердечника статора до 160 %, при этом наиболее высокие значения номинального КПД наблюдаются при 110.125 %.
Изменение только длины сердечника и, как следствие, уменьшение потерь в стали, несмотря на некоторое увеличение КПД, не является наиболее эффективным путем совершенствования асинхронного двигателя. Более рациональным будет изменение длины и обмоточных данных двигателя (число витков обмотки и сечение провода обмотки статора). При рассмотрении данного варианта значения длины сердечника статора для расчетов принимались в диапазоне /=100.130 % . Диапазон изменения витков обмотки статора принимался равным №=60.110 %. У базового двигателя значение №=108 витков и п»=0,875. На рис. 2 представлен график изменения значения КПД при изменении обмоточных данных и активной длины двигателя. При изменении количества витков обмотки статора в сторону уменьшения, происходит резкое падение значений КПД до 0,805 и 0,819 у двигателей с длиной 100 и 105 % соответственно.
Двигатели в диапазоне изменения длины /=110.130 % имеют значения КПД выше, чем у базового двигателя, например №=96 ^»=0,876.0,885 и №=84 при 1=125.130 % имеют п»=0,879.0,885. Целесообразно рассматривать двигатели с длиной в диапазоне 110.130 %, и при снижении количества витков обмотки статора на 10 %, что соответствует №=96 витков. Экстремум функции (рис. 2), выделенный темным цветом, соответствует данным значениям длины и витков. Значение КПД при этом возрастает на 0,7.1,7 % и составляет
Третий путь обеспечения энергосбережения мы видим в том, что можно применять асинхронный двигатель общепромышленного исполнения большей мощности . Значения длины сердечника статора для расчетов принимались в диапазоне /=100.170 %. Анализ полученных данных показывает, что у исследуемого двигателя АИР112М2 мощностью 7,5 кВт при увеличении его длины до 115 % максимальное значение КПД п,шх=0,885 соответствует мощности Р2ш„=5,5 кВт. Этот факт указывает на то, что можно использовать в регулируемом электроприводе двигатели серии АИР112М2 с увеличенной длиной мощностью 7,5 кВт, вместо базового двигателя мощностью 5,5 кВт серии АИР90М2. У двигателя мощностью 5,5 кВт стои-
мость потребляемой электроэнергии за год составляет 71950 р., что значительно выше аналогичного показателя у двигателя увеличенной длины (115 % от базового) мощностью 7,5 кВт при С=62570 р. Одной из причин этого факта является сокращение доли электроэнергии на покрытие потерь в АД за счет работы двигателя в области повышенных значений КПД.
Повышение мощности двигателя должно быть обосновано как технической, так и экономической необходимостью . При исследовании двигателей повышенной мощности взят ряд АД общепромышленного применения серии АИР в диапазоне мощностей 3.75 кВт. В качестве примера рассмотрим АД с частотой вращения 3000 об/мин, которые чаще всего применяются в насосных агрегатах ЖКХ, что связано со спецификой регулирования насосного агрегата.
Рис. 3. Зависимость экономии за средний срок службы от полезной мощности двигателя: волнистая линия построена по результатам расчета, сплошная - аппроксимирована
Для обоснования экономической выгоды применения двигателей повышенной мощности были проведены расчеты и сравнение двигателей требуемой для данной задачи мощности и двигателей, имеющих мощность на ступень выше. На рис. 3 представлены графики экономии за средний срок службы (Э10) от полезной мощности на валу двигателя. Анализ полученной зависимости показывает
экономическую эффективность использования двигателей повышенной мощности, несмотря на увеличение стоимости самого двигателя. Экономия электроэнергии за средний срок службы составляет для двигателей со скоростью вращения 3000 об/мин 33.235 тыс. р.
Заключение
Огромный потенциал энергосбережения в России определяется большими затратами электрической энергии в народном хозяйстве. Системный подход при разработке асинхронных регулируемых электроприводов и организация их серийного производства может обеспечить эффективное энергосбережение, в частности, в жилищно-коммунальном хозяйстве. При решении проблемы энергосбережения следует применять асинхронный регулируемый электропривод, альтернативы которому в настоящее время нет.
1. Задачу создания энергоэффективных асинхронных двигателей, отвечающих конкретным условиям эксплуатации и энергосбережения, необходимо решать для конкретного регулируемого электропривода, используя системный подход. В настоящее время применяется новый подход к проектированию асинхронных двигателей. Определяющим фактором является повышение энергетических характеристик.
2. Рассмотрена возможность создания энергоэффективных асинхронных двигателей без изменения геометрии поперечного сечения при увеличении длины сердечника статора до 130 % и снижении числа витков обмотки статора до 90 % для регулируемых электроприводов, что позволяет обеспечить реальное энергосбережение.
3. Показаны пути обеспечения энергосбережения за счет использования асинхронных двигателей повышенной мощности в насосных агрегатах сферы жилищно-коммунального хозяйства. Например, при замене двигателя АИР90М2 мощностью 5,5 кВт двигателем АИР112М2 экономия электроэнергии составляет до 15 %.
4. Проведенные экономические расчеты и анализ результатов показывают экономическую эффективность использования двигателей повышенной мощности, несмотря на увеличение стоимости самого двигателя. Экономия электроэнергии за средний срок службы выражается в десятках и сотнях тыс. р. в зависимости от мощности двигателя и составляет 33.325 тыс. р. для асинхронных двигателей с частотой вращения 3000 об/мин.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Энергетическая стратегия России на период до 2020 г. // ТЭК.
2003. - № 2. - С. 5-37.
2. Андронов А.Л. Энергосбережение в системах водоснабжения средствами частотного регулирования электропривода // Электроэнергия и будущее цивилизации: Матер. научн.-техн. конф. - Томск, 2004. - С. 251-253.
3. Сидельников Б.В. Перспективы развития и применения бесконтактных регулируемых электродвигателей // Энергосбережение. - 2005. - № 2. - С. 14-20.
4. Петрушин В.С. Системный подход при проектировании регулируемых асинхронных двигателей // Электромеханика, электротехнологии и электроматериаловедение: Труды 5-ой Меж-дунар. конф. МКЭЭЭ-2003. - Крым, Алушта, 2003. - Ч. 1. -С. 357-360.
5. ГОСТ Р 51677-2000 Машины электрические асинхронные мощностью от 1 до 400 кВт включительно. Двигатели. Показатели эффективности. - М.: Изд-во стандартов, 2001. - 4 с.
6. Muraviev O.P., Muravieva O.O. Induction variable speed drive as the basis of efficient energy saving // The 8th Russian-Korean Intern. Symp. Science and Technology KORUS 2004. - Tomsk: TPU, 2004.
V. 1. - P. 264-267.
7. Muraviev O.P., Muravieva O.O., Vekhter E.V. Energetic Parameters of Induction Motors as the Basis of Energy Saving in a Variable Speed Drive // The 4th Intern. Workshop Compatibility in Power Electronics Cp 2005. - June 1-3, 2005, Gdynia, Poland, 2005. -P. 61-63.
8. Muravlev O.P., Muravleva O.O. Power Effective Induction Motors for Energy Saving // The 9th Russian-Korean Intern. Symp. Science and Technology KORUS 2005. - Novosibirsk: Novosibirsk State Technical University, 2005. - V. 2. - P. 56-60.
9. Вехтер Е.В. Выбор асинхронных двигателей повышенной мощности для обеспечения энергосбережения насосных агрегатов в ЖКХ // Современная техника и технологии: Труды 11-ой Междунар. научн.-практ. конф. молодежи и студентов. -Томск: Изд-во ТПУ, 2005. - Т. 1. - С. 239-241.
УДК 621.313.333:536.24
МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ МНОГОФАЗНЫХ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ В АВАРИЙНЫХ РЕЖИМАХ ЭКСПЛУАТАЦИИ
Д.М. Глухов, О.О. Муравлёва
Томский политехнический университет E-mail: [email protected]
Предложена математическая модель тепловых процессов в многофазном асинхронном двигателе, которая позволяет рассчитать превышение температурыы обмотки при аварийных режимах. Адекватность модели проверена экспериментально.
Введение
Интенсивное развитие электроники и микропроцессорной техники приводит к созданию качественных регулируемых электроприводов переменного тока для замены электроприводов постоянного тока и нерегулируемого электропривода переменного тока благодаря большей надёжности электродвигателей переменного тока по сравнению с машинами постоянного тока .
Регулируемые электроприводы завоевывают области применения нерегулируемых как для обеспечения технологических характеристик, так и с целью энергосбережения. Причем предпочтение отдается именно машинам переменного тока, асинхронным (АД) и синхронным (СД), так как они имеют лучшие массогабаритные показатели, более высокую надежность и срок службы, проще в обслуживании и ремонте по сравнению с коллекторными машинами постоянного тока. Даже в такой традиционно «коллекторной» области, как электрический транспорт, машины постоянного тока уступают место частотно-регулируемым двигателям переменного тока . Все большее место в продукции электромашиностроительных заводов занимают модификации и специализированные исполнения электродвигателей.
Создать универсальный, подходящий для всех случаев жизни частотно-регулируемый двигатель нельзя. Оптимальным он может быть только для каждого конкретного сочетания закона и способа управления, диапазона регулирования частоты и характера нагрузки. Многофазный асинхронный двигатель (МАД) может являться альтернативой трёхфазным машинам при питании от преобразователя частоты.
Целью настоящей работы является разработка математической модели для исследования тепловых полей многофазных асинхронных двигателей как в установившихся, так и в аварийных режимах работы, которые сопровождаются отключением (обрывом) фаз (или одной фазы) для того, чтобы показать возможность работы асинхронных машин в составе регулируемого электропривода без применения дополнительных средств охлаждения.
Моделирование теплового поля
Особенности эксплуатации электрических машин в регулируемом электроприводе, а также высокие вибрации и шум, накладывая определённые требования к конструкции, требуют иные подходы при проектировании. Вместе с тем, особенности многофазных двигателей делают такие машины пригодными для применения в регулируемых при-
