В недавнем прошлом в разных странах мира действовали собственные стандарты энергоэффективности. Например, в Европе руководствовались нормами СЕМЕР, Россия ориентировалась на ГОСТ Р 5167 2000, США - на стандарт EPAct.

В целях гармонизации требований к энергоэффективности электродвигателей Международной энергетической комиссией (МЭК) и Международной организацией по стандартизации (ISO) был принят единый стандарт IEC 60034-30. Данный стандарт классифицирует низковольтные асинхронные электродвигатели и унифицирует требования к их энергетической эффективности.

Классы энергоэффективности

Стандарт IEC 60034-30 2008 определяет три международных класса энергоэффективности:

• IE1 – стандартный класс (Standard Efficiency). Примерно эквивалентен европейскому классу EFF2.
• IE2 – высокий класс (High Efficiency). Примерно эквивалентен классу EFF1 и классу EPAct в США для 60 Гц.
• IE3 – премиум. Идентичен классу NEMA Premium для 60 Гц.

Стандарт распространяется почти на все промышленные трехфазные асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором. Исключение составляют двигатели:

• работающие от частотного преобразователя;
• встроенные в конструкцию оборудования (например, в насосный агрегат или вентилятор), когда невозможно провести независимое испытание.

Соотношение единого международного стандарта с нормами различных стран мира.

Распределение мощностей по различным стандартам

Стандарт IEC 60034-30 охватывает электродвигатели мощностью от 0,75 до 375 кВт с числом пар полюсов 2р = 2, 4, 6.

Показатели СЕМЕР распределялись по КПД для электродвигателей мощностью до 90 кВт и полюсностью 2р = 2, 4.

Нормы Epact – величина мощности от 0,75 до 150 кВт с парным числом полюсов 2р = 2, 4, 6.

Особенности стандартизации

Благодаря единому стандарту IEC заказчики электродвигателей во всем мире могут легко распознать оборудование с необходимыми параметрами.

Классы энергетической эффективности IE, описываемые стандартом IEC/EN 60034-30, основываются на результатах испытаний, проводимых в соответствии с международным стандартом IEC/EN 60034-2-1-2007. Этот стандарт определяет энергоэффективность, основываясь на показателях потерь мощности и КПД.

Отметим, что у российского рынка электродвигателей есть свои особенности. Отечественных производителей условно можно разбить на две группы. Одна группа указывает в качестве главного показателя КПД, другая не указывает ничего. Таким образом формируется недоверие к электрооборудованию, что служит барьером к приобретению российской продукции.

Методы определения энергоэффективности

Существует два метода определения КПД: прямой и косвенный. Прямой метод основан на экспериментальном измерении мощности и отличается некоторой неточностью. Новый стандарт предполагает использование косвенного метода, который опирается на следующие параметры:

• исходная температура
• нагрузочные потери, которые определяются с помощью измерений, оценки и математического расчета

Показатели КПД сопоставимы только при одинаковом методе определения значений. Косвенный метод подразумевает:

1. Измерение потерь мощности, рассчитанных по результатам нагрузочных испытаний.
2. Оценка потерь подводимой мощности при номинальной нагрузке до 1000 кВт.
3. Математический расчет: используется альтернативный косвенный метод с расчетом потерь Р (мощности). Определяется по следующей формуле:

η = Р2 /Р1=1-ΔР/Р1

где: Р2 - полезная мощность на валу двигателя; Р1 – активная мощность из сети; ΔР – суммарные потери в электродвигателях.

Более высокое значение КПД уменьшает потери и потребление электроэнергии электродвигателя и повышает его энергоэффективность.

Ряд российских стандартов, например, ГОСТ Р 54413-2011, можно соотнести с международными стандартами.

Отличия российских стандартов от международных заключаются:

• в некоторых особенностях математических расчетов для определения параметров оборудования;
• в различиях в единицах измерения;
• в процессах испытаний;
• в параметрах испытательного оборудования;
• в условиях выполнения испытаний;
• в особенностях эксплуатации.

В России приняты те же классы энергоэффективности, что и в Европе. Информация о классах содержится в паспортных данных, технической документации, маркировке и на шильдиках.

Другие полезные материалы:

Экскурс в историю. Зарождение проблемы энергосбережения

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.

Энергосбережение сегодня

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.

Энергоэффективность в вентиляции

Основной источник потребления электроэнергии в вентиляционных установка, как не трудно догадаться, является вентилятор, а конкретнее электродвигатель (или мотор), благодаря которому вращается крыльчатка вентилятора.

Класс энергоэффективности IE

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

• IE1 стандартный класс энергоэффективности.
• IE2 высокий класс энергоэффективност.
• IE3 сверхвысокий класс энергоэффективности.
• IE4 максимально высокий 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

Выбор энергоэффективности двигателей при подборе установок в программе QC Ventilazione

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.

От теории к практике

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 Класс энергоэффективности IE4
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 .

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-

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..

Электродвигатели стоят в ряду главных потребителей энергоресурсов. Одним из путей повышения экономичности электродвигателей является замена старого парка электрических машин на новые модификации с улучшенными характеристиками энергосбережения. Это так называемые высокопроизводительные или энергоэффективные двигатели.

Энергоэффективным является двигатель, в котором с применением системного подхода при проектировании, изготовлении и эксплуатации повышены КПД, коэффициент мощности и надежность.

Энергоэффективные двигатели с классом эффективности IE2 - это электродвигатели, КПД которых выше, чем у стандартных моторов класса IE1, что означает уменьшенное энергопотребление при том же уровне нагрузочной мощности.

Наряду с экономией потребляемой энергии, переход на использование электродвигателей класса IE2 позволяет:

• увеличить срок жизни двигателя и смежного с ним оборудования;
• повысить КПД двигателя на 2-5%;
• повысить коэффициент мощности;
• улучшить перегрузочную способность;
• уменьшить затраты на техобслуживание и снизить простои;
• повысить устойчивость двигателя к тепловым нагрузкам и к нарушениям условий эксплуатации;
• снизить нагрузку на обслуживающий персонал из-за практически бесшумной работы.

Асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором составляют в настоящее время значительную часть среди всех электрических машин, более 50% потребляемой электроэнергии приходится именно на них. Почти невозможно найти сферу, где бы они ни использовались: электроприводы промышленного оборудования, насосы, вентиляционная техника и многое другое. Причем и объем технологического парка, и мощности двигателей постоянно растут.

Энергоэффективные двигатели ENERAL серии АИР…Э конструктивно выполнены как трехфазные асинхронные односкоростные двигатели с короткозамкнутым ротором и соответствуют ГОСТ Р51689-2000.

Энергоэффективный двигатель серии АИР…Э имеет повышенный КПД за счет следующих системных улучшений:

1. Увеличена масса активных материалов (медной обмотки статора и холоднокатаной стали в пакетах статора и ротора);
2. Применяются электротехнические стали с улучшенными магнитными свойствами и уменьшенными магнитными потерями;
3. Оптимизированы зубцово-пазовая зона магнитопровода и конструкция обмоток;
4. Использована изоляция с повышенной теплопроводностью и электрической прочностью;
5. Уменьшен воздушный зазор между ротором и статором с помощью высокотехнологичного оборудования;
6. Использована специальная конструкция вентилятора для снижения вентиляционных потерь;
7. Применяются подшипники и смазки более высокого качества.

Новые потребительские свойства энергоэффективного двигателя серии АИР…Э базируются на конструктивных усовершенствованиях, где особое место уделено защите от неблагоприятных условий и повышенной герметизации.

Так, конструктивные особенности серии АИР…Э позволяют свести к минимуму потери в обмотках статора. Благодаря низкой температуре обмотки электродвигателя продлевается и срок службы изоляции.

Дополнительный эффект дает уменьшение трения и вибрации, а значит и перегрева, за счет применения высококачественной смазки и подшипников, в том числе более плотного подшипникового замка.

Ещё один аспект, связанный с более низкой температурой работающего двигателя, это возможность эксплуатации при более высокой температуре окружающей среды или возможностью снижения расходов, связанных с внешним охлаждением работающего двигателя. Это также ведет к снижению затрат на электроэнергию.

Одно из важных преимуществ нового энергоэффективного двигателя – сниженный уровень шума. В электродвигателях класса IE2 использованы не столь мощные и более тихие вентиляторы, что также играет роль в улучшении аэродинамических свойств и снижении вентиляционных потерь.

Минимизация капитальных и эксплуатационных затрат являются ключевыми требованиями к промышленным энергоэффективным электродвигателям. Как показывает практика, срок компенсации из-за разницы цен при приобретении более совершенных асинхронных электродвигателей класса IE2 составляет до 6 месяцев только за счет снижения эксплуатационных расходов и потребления меньшего количества электроэнергии.

АИР 132М6Э (IE2) Р2=7,5кВт; КПД=88,5%; Iн=16,3А; cosφ=0,78
АИР132М6 (IE1) Р2=7,5кВт; КПД=86,1%; Iн=17,0А; cosφ=0,77

Потребляемая мощность: P1=Р2/КПД
Нагрузочная характеристика: 16 часов в день = 5840 часов в год

Ежегодная экономия расходов на электроэнергию: 1400 кВт/час

При переходе на новые энергоэффективные двигатели учитываются:

• возросшие требования к экологическим аспектам
• требования к уровню энергоэффективности и эксплуатационным характеристикам продукции
• класс энергоэффективности IE2 наряду с возможностями экономии действует как унифицированный «знак качества» для потребителя
• финансовый стимул: возможность снизить энергопотребление и эксплуатационные расходы комплексные решения: энергоэффективный двигатель + эффективная система управления (регулируемый привод) + эффективная система защиты = наилучший результат.

Таким образом, энергоэффективные двигатели – это двигатели повышенной надежности для предприятий, ориентированных на энергосберегающие технологии.

Показатели энергоэффективности электродвигателей АИР…Э производства ЭНЕРАЛ соответствуют ГОСТ Р51677-2000 и международному стандарту IEC 60034-30 по классу энергоэффективности IE2.