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.
Под энергоэффективностью понимается рациональное использование энергетических ресурсов, с помощью которого достигается уменьшение потребления энергии при том же уровне нагрузочной мощности.
На рис. 1а, б приведены примеры нерационального и рационального использования энергии. Мощности Рн приемников 1 и 2 одинаковые, при этом потери ΔР1, выделяющиеся в приемнике 1, значительно превосходят потери ΔР2, которые выделяются в приемнике 2. Как следствие, потребляемая мощность ΔРп1 приемником 1 больше мощности ΔРп2, потребляемой приемником 2. Таким образом, приемник 2 является энергоэффективным по сравнению с приемником 1.
Рис. 1а. Нерациональное использование энергии
Приемник 2
Рис. 1б. Рациональное использование энергии
В современном мире вопросам энергоэффективности уделяется особое внимание. Объясняется это отчасти тем, что решение данной задачи может привести к достижению основных целей международной энергетической политики:
- повышению энергетической безопасности;
- снижению вредного экологического воздействия вследствие использования энергоресурсов;
- повышению конкурентоспособности промышленности в целом.
В последнее время был принят целый ряд инициатив и мер в отношении энергоэффективности на региональном, национальном и международном уровнях.
Энергетическая стратегия России
В России разработана Энергетическая стратегия, которая подразумевает развёртывание программы энергоэффективности в рамках комплексной политики энергосбережения. Данная программа направлена на создание базисных условий для ускоренного технологического обновления энергетической отрасли, развития современных перерабатывающих производств и транспортных мощностей, а также на освоение новых, перспективных рынков.
23 ноября 2009 г. президентом Российской Федерации Д.А. Медведевым был подписан Федеральный закон № 261-ФЗ “Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации”. Данный закон формирует принципиально новое отношение к процессу энергосбережения. В нем четко обозначены полномочия и требования в этой области для всех уровней власти, а также заложена основа для достижения реального результата. Законом вводится обязанность по учету энергетических ресурсов для всех предприятий. Организации, совокупные годовые затраты которых на потребление энергоресурсов превышают 10 миллионов рублей, предлагается обязать до 31 декабря 2012 года и далее не реже 1 раза в 5 лет проходить энергетические обследования, по результатам которых составляется энергетический паспорт предприятия, фиксирующий продвижение по шкале энергоэффективности.
С принятием закона ‘Об энергоэффективности’, одними из ключевых статей документа стали поправки в Налоговый кодекс (Статья 67 часть 1), которые освобождают от налога на прибыль предприятия, использующие объекты, имеющие наивысший класс энергоэффективности. Правительство РФ готово оказывать субсидии и снижение налогового бремени тем предприятиям, которые готовы поднять своё оборудование до уровня энергосберегающей техники.
Энергоэффективность электродвигателей
По данным РАО «ЕЭС России» за 2006-й год около 46% вырабатываемой электроэнергии в России потребляется промышленными предприятиями (рис. 1), половина этой энергии посредством электродвигателей преобразуется в механическую.
Рис. 2. Структура потребления электроэнергии в России
В процессе преобразования энергии, часть ее теряется в виде тепла. Величина потерянной энергии определяется энергетическими показателями двигателя. Применение энергоэффективных электродвигателей позволяет существенно снизить потребление энергии и уменьшить содержание углекислого газа в окружающей среде.
Основным показателем энергоэффективности электродвигателя, является его коэффициент полезного действия (далее КПД) :
η=P2/P1=1 – ΔP/P1,
где Р2 – полезная мощность на валу электродвигателя, Р1 – активная мощность потребляемая электродвигателем из сети, ΔP – суммарные потери возникающие в электродвигателе.
Очевидно, чем выше КПД (и соответственно ниже потери), тем меньше энергии потребляет электродвигатель из сети для создания той же самой мощности P2. В качестве демонстрации экономии электроэнергии при использовании энергоэффективных двигателей сравним количества потребляемой мощности на примере электродвигателей ABB обычной (М2АА) и энергоэффективной (М3АА) серий (рис. 3).
1. Серия М2АА (класс энергоэффективности IE1): мощность Р2=55 кВт, частота вращения n=3000 об/мин, η=92,4%, cosφ=0,91
Р1=Р2/η=55/0,924=59,5 кВт.
Суммарные потери:
ΔP=Р1–Р2=59,5-55=4,5 кВт.
Q=4,5·24·365=39420 кВт.
C=2·39420=78840 руб.
2. Серия М3АА (класс энергоэффективности IE2): мощность Р2=55 кВт, частота вращения n=3000 об/мин, η=93,9%, cosφ=0,88
Активная мощность, потребляемая из сети:
Р1=Р2/η=55/0,939=58,6 кВт.
Суммарные потери:
ΔP=Р1–Р2=58,6-55=3,6 кВт.
Если предположить, что данный двигатель работает 24 часа в сутки, 365 дней в году, то количество энергии, теряемое и выделяемое в виде тепла
Q=3,6·24·365=31536 кВт.
При средней стоимости электроэнергии 2 руб. за кВт/ч количество потерянной электроэнергии за 1 год в денежном эквиваленте
C=2·31536=63072 руб.
Таким образом, в случае замены обычного электродвигателя (класс IE1) энергоэффективным (класс IE2) экономия энергии составляет 7884 кВт в год на один двигатель. При использовании 10 таких электродвигателей экономия составит 78840 кВт в год или в денежном выражении 157680 руб./год. Таким образом, эффективное использование электроэнергии позволяет предприятию снизить себестоимость выпускаемой продукции, тем самым, повысив ее конкурентоспособность.
Стоимостная разница электродвигателей с классами энергоэффективности IE1 и IE2, составляющая 15621 руб., окупается приблизительно за 1 год.
Рис. 3. Сравнение обычного электродвигателя с энергоэффективным
Следует отметить, что с ростом энергоэффективности увеличивается и срок службы двигателя . Это объясняется следующим. Источником нагрева двигателя являются потери, выделяемые в нем. Потери в электрических машинах (ЭМ) подразделяются на основные, обусловленные протекающими в ЭМ электромагнитными и механическими процессами, и добавочные, обусловленные различными вторичными явлениями. Основные потери подразделяют на следующие классы:
- 1. механические потери (включают в себя вентиляционные потери, потери в подшипниках, потери на трение щеток о коллектор или контактные кольца);
- 2. магнитные потери (потери на гистерезис и вихревые токи);
- 3. электрические потери (потери в обмотках при протекании тока).
Согласно эмпирическому закону срок службы изоляции уменьшается в два раза при увеличении температуры на 100С. Таким образом, срок службы двигателя с повышенной энергоэффективностью несколько больше, так как потери и следовательно нагрев энергоэффективного двигателя меньше.
Способы повышения энергоэффективности двигателя:
- 1. Применение электротехнических сталей с улучшенными магнитными свойствами и уменьшенными магнитными потерями;
- 2. Использование дополнительных технологических операций (например, отжиг для восстановления магнитных свойств сталей, как правило, ухудшающихся после механообработки);
- 3. Использование изоляции с повышенной теплопроводностью и электрической прочностью;
- 4. Улучшение аэродинамических свойств для снижения вентиляционных потерь;
- 5. Использование высококачественных подшипников (NSK, SKF);
- 6. Увеличение точности обработки и изготовления узлов и деталей двигателя;
- 7. Использование двигателя совместно с частотным преобразователем.
Еще одним важным параметром, характеризующим энергоэффективность электродвигателя, является коэффициент нагрузки cosφ. Коэффициент нагрузки определяет долю активной мощности в полной, поступающей в электродвигатель из сети.
где S – полня мощность.
При этом только активная мощность преобразуется в полезную мощность на валу, реактивная мощность нужна лишь для создания электромагнитного поля. Реактивная мощность поступает в двигатель и возвращается обратно в сеть с удвоенной частотой сети 2f, создавая тем самым в подводящих линиях дополнительные потери. Таким, образом, система, состоящая из двигателей с высоким значениями КПД, но низкими значениями cosφ, не может считаться энергоэффективной.
Препятствия на пути внедрения энергоэффективных систем электропривода
Не смотря на высокую результативность энергоэффективных решений , на сегодняшний день существует ряд препятствий для распространения энергоэффективных систем электропривода:
- 1. Замена только одного или двух электродвигателей на целом предприятии является несущественной мерой;
- 2. Низкий уровень информированности потребителей в области классов энергоэффективности двигателей, их различий и существующих стандартов;
- 3. Раздельное финансирование на многих предприятиях: распорядитель бюджета на закупки электродвигателей часто является не тем лицом, которое занимается вопросами снижения себестоимости выпускаемой продукции или несет ежегодные расходы на техническое обслуживание;
- 4. Приобретение электродвигателей в составе комплексного оборудования, производители которого часто в целях удешевления продукции устанавливают электродвигатели низкого качества;
- 5. В рамках одной компании расходы на приобретение оборудования и на потребление энергии за срок службы часто оплачиваются по разным статьям;
- 6. На многих предприятиях существуют запасы электродвигателей, как правило, того же типа и того же класса эффективности.
Важным аспектом в вопросах, связанных с энергоэффективностью электрических машин , является популяризация принятия решения на приобретение оборудования на основе оценки суммарных эксплуатационных расходов за срок службы.
Новые международные стандарты, регламентирующие энергоэффективность электродвигателей.
В 2007, 2008-м гг. IEC были введены два новых стандарта, касающихся энергоэффективности электродвигателей : стандарт IEC/EN 60034-2-1 устанавливает новые правила определения КПД, стандарт IEC 60034-30 – новые классы энергоэффективности электродвигателей.
В стандарте IEC 60034-30 установлены три класса энергоэффективности трехфазных асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором (рис.4).
Рис. 4. Классы энергоэффективности согласно новому стандарту IEC 60034-30
В настоящее время обозначение классов энергоэффективность часто можно увидеть в виде следующих комбинаций: EFF3, EFF2, EFF1. Однако границы разделения классов (рис. 5) установлены старым стандартом IEC 60034-2, на смену которому пришел новый IEC 60034-30 (рис. 4).
Рис. 5. Классы энергоэффективности согласно старому стандарту IEC 60034-2.
Статья взята с сайта szemo.ru
Array ( => 9 [~ID] => 9 => 20.07.2010 14:49:50 [~TIMESTAMP_X] => 20.07.2010 14:49:50 => 3 [~MODIFIED_BY] => 3 => 03.05.2010 11:22:01 [~DATE_CREATE] => 03.05.2010 11:22:01 => 1 [~CREATED_BY] => 1 => 7 [~IBLOCK_ID] => 7 => 1 [~IBLOCK_SECTION_ID] => 1 => Y [~ACTIVE] => Y => Y [~GLOBAL_ACTIVE] => Y => 500 [~SORT] => 500 => 3-фазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором [~NAME] => 3-фазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором => [~PICTURE] => => 20 [~LEFT_MARGIN] => 20 => 21 [~RIGHT_MARGIN] => 21 => 2 [~DEPTH_LEVEL] => 2 => [~DESCRIPTION] => => text [~DESCRIPTION_TYPE] => text => 3-ФАЗНЫЕ АСИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ [~SEARCHABLE_CONTENT] => 3-ФАЗНЫЕ АСИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ => [~CODE] => => [~XML_ID] => => [~TMP_ID] => => [~DETAIL_PICTURE] => => [~SOCNET_GROUP_ID] => => /catalog/index.php?ID=7 [~LIST_PAGE_URL] => /catalog/index.php?ID=7 => /catalog/list.php?SECTION_ID=9 [~SECTION_PAGE_URL] => /catalog/list.php?SECTION_ID=9 => catalog [~IBLOCK_TYPE_ID] => catalog => ru [~IBLOCK_CODE] => ru => [~IBLOCK_EXTERNAL_ID] => => [~EXTERNAL_ID] => => 0 [~ELEMENT_CNT] => 0 => =>)
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.
Повысить мощность и существенно снизить энергопотребление сгоревших и новых асинхронных двигателей позволяет уникальная технология модернизации с применением совмещенных обмоток типа «Славянка». Сегодня ее успешно внедряют на нескольких крупных промышленных предприятиях. Такая модернизация позволяет повысить на 10-20% пусковые и минимальные моменты, понизить на 10-20% пусковой ток или повысить мощность электродвигателя на 10-15%, стабилизировать КПД близким к номинальному в широком диапазоне нагрузок, понизить ток холостого хода, снизить в 2,7-3 раза потерь в стали, уровень электромагнитных шумов и вибраций, повысить надёжность и увеличить межремонтный срок эксплуатации в 1,5 — 2 раза.
В России на долю асинхронных двигателей, по разным оценкам, приходится от 47 до 53% потребления всей вырабатываемой электроэнергии, в промышленности - в среднем 60%, в системах холодного водоснабжения - до 80%. Они осуществляют практически все технологические процессы, связанные с движением и охватывают все сферы жизнедеятельности человека. В каждой квартире можно найти асинхронных двигателей больше, чем жильцов. Ранее, поскольку задачи экономии энергоресурсов не было, при проектировании оборудования стремились «подстраховаться», и использовали двигатели с мощностью, превышающей расчетную. Экономия электроэнергии в проектировании отходила на второй план, и такое понятие как энергоэффективность не было столь актуальным. Энергоэффективные двигатели российская промышленность не проектировала и не выпускала. Переход к рыночной экономике резко изменил ситуацию. Сегодня сэкономить единицу энергетических ресурсов, например, 1 т топлива в условном исчислении, вдвое дешевле, чем её добыть.
Энергоэффективные двигатели (ЭД) — это асинхронные ЭД с короткозамкнутым ротором, в которых за счет увеличения массы активных материалов, их качества, а также за счет специальных приемов проектирования удалось поднять на 1-2% (мощные двигатели) или на 4-5% (небольшие двигатели) номинальный КПД при некотором увеличении цены двигателя.
С появлением двигателей с совмещенными обмотками «Славянка» по запатентованной схеме стало возможно существенно улучшить параметры двигателей без увеличения цены. За счет улучшенной механической характеристики и более высоких энергетических показателей, стало возможным экономить до 15% потребления энергии при той же полезной работе и создавать регулируемый привод с уникальными характеристиками, не имеющий аналогов в мире.
В отличие от стандартных, ЭД с совмещенными обмотками обладают высокой кратностью моментов, имеют КПД и коэффициент мощности близкий к номинальному в широком диапазоне нагрузок. Это позволяет повысить среднюю нагрузку на двигатель до 0,8 и повысить эксплуатационные характеристики обслуживаемого приводом оборудования.
По сравнению с известными методами повышения энергоэффективности асинхронного привода новизна технологии, применяемой петербуржцами, заключается в изменении основополагающего принципа конструкции классических обмоток двигателя. Научная новизна - в том, что сформулированы совершенно новые принципы конструирования обмоток двигателей, выбора оптимальных соотношений чисел пазов роторов и стартора. На их основе разработаны промышленные конструкции и схемы однослойных и двухслойных совмещенных обмоток, как для ручной, так и для автоматической укладки обмоток на стандартном оборудовании. На технические решения получен ряд патентов РФ.
Сущность разработки в том, что в зависимости от схемы подключения трёхфазной нагрузки к трёхфазной сети (звезда или треугольник) можно получить две системы токов, образующий между векторами угол в 30 электрических градусов. Соответственно, к трёхфазной сети можно подключить электродвигатель, имеющий не трёхфазную обмотку, а шестифазную. При этом часть обмотки должна быть включена в звезду, а часть в треугольник и результирующие вектора полюсов одноименных фаз звезды и треугольника должны образовывать между собой угол в 30 электрических градусов. Совмещение двух схем в одной обмотке позволяет улучшить форму поля в рабочем зазоре двигателя и как следствие существенно улучшить основные характеристики двигателя.
По сравнению с известными, частотно-регулируемый привод может быть выполнен на базе новых двигателей с совмещенными обмотками с повышенной частотой питающего напряжения. Это достигается за счёт меньших потерь в стали магнитопровода двигателя. В результате себестоимость такого привода получается существенно ниже, чем при использовании стандартных двигателей, в частности, значительно снижаются шумность и вибрации.
Применение данной технологии при ремонтах асинхронных двигателей позволяет за счет экономии электроэнергии окупить затраты в течение 6-8 месяцев. За последний год только Научно-производственное объединение «Санкт-Петербургская электротехническая компания» модернизировала несколько десятков сгоревших и новых асинхронных двигателей путем перемотки обмоток статора на ряде крупных предприятий Санкт-Петербурга в сфере хлебопекарной, табачной промышленностях, заводах стройматериалов и многих других. И это направление успешно развивается. Сегодня Научно-производственное объединение «Санкт-Петербургская электротехническая компания» ищет потенциальных партнеров в регионах, способных организовать совместно с петербуржцами бизнес по модернизации асинхронных электродвигателей в своей области.
Подготовила Мария Алисова.
Справка
Николай Яловега — основоположник технологии — профессор, доктор технических Наук. Оформлен патент в США в 1996 году. На сегодняшний день срок действия истек.
Дмитрий Дуюнов — разработчик методики расчета схем укладки совмещенных обмоток двигателя. Оформлен ряд патентов.