Роздрукувати

Електропривід

Енергоефективність електроприводу. Комплексний підхід

«Круглий стіл» у рамках ПТА-2011

Майже половину всієї електроенергії, що видобувається у світі, витрачають електродвигуни. І інтерес КМ до теми енергоефективності приводної техніки цілком зрозумілий. У вересні в рамках виставки ПТА ми провели круглий стіл, присвячений цій проблемі. Сьогодні публікуємо першу частину дискусії.

Енергоефективні двигуни - міфи та реальність

Хотілося б розвінчати деякі популярні міфи, створені успішними менеджерами, що продають двигуни з підвищеним ККД або енергоефективні двигуни (ЕЕД).

Що ж таке енергоефективні двигуни - це машини, ККД яких на 1-10% вище, ніж у стандартних двигунів. Причому, якщо йдеться про великих двигунах, Різниця становить 1-2%, а в моторах малої потужностівона може сягати 7–10%.

Високий ККД у двигунах досягається за рахунок:

Збільшення маси активних матеріалів – міді та сталі;
- застосування більш тонкої та високоякісної електротехнічної сталі;
- використання міді замість алюмінію як матеріал обмоток ротора;
- Зменшення повітряного зазору між ротором і статором за допомогою високоточного технологічного обладнання;
- оптимізації зубцово-пазової зони магнітопроводів та конструкції обмоток;
- Застосування підшипників високої якості;
- Спеціальної конструкції вентилятора.

За даними статистики, вартість самого двигуна становить менше ніж 2% від загальних витрат на життєвий цикл (при роботі 4000 годин щорічно протягом 10 років). На електроенергію витрачається приблизно 97%. Близько відсотка йде на монтаж та технічне обслуговування.

Як видно з діаграми, вже більше десяти років у Європі йде планомірне витіснення низькоефективних двигунів двигунами з підвищеним ККД. З середини цього року в ЄС заборонено використання нових двигунів класу нижче IE2.

Переваги та недоліки ЕЕД

Загалом перехід до застосування ЕЕД дозволяє:

Підвищити ККД двигуна на 1-10%;
- Збільшити надійність його роботи;
- зменшити час простоїв та витрати на технічне обслуговування;
- підвищити стійкість двигуна до теплових навантажень;
- Поліпшити перевантажувальну здатність;
- підвищити стійкість двигуна до різних порушень експлуатаційних умов: зниженої та підвищеної напруги, спотворення форми хвиль (гармоніків), незбалансованості фаз і т. д.;
- Збільшити коефіцієнт потужності;
- Зменшити рівень шуму.

У машин з підвищеним ККД у порівнянні зі звичайними на 10 – 30% вище вартість, дещо більша маса. Енергоефективні двигуни мають у порівнянні з звичайними двигунамименше ковзання (наслідок чого – частота обертання трохи більше) та більш високу величину пускового струму.

У деяких випадках використання енергоефективного двигуна не є доцільним:

Якщо двигун експлуатується нетривалий час (менше 1-2 тис. годин/рік), впровадження енергоефективного двигуна може не зробити істотного вкладу в енергозбереження;
- якщо двигун експлуатується в режимах з частим запуском, заощаджена електроенергія може бути витрачена внаслідок вищого пускового струму;
- якщо двигун працює з неповним навантаженням (наприклад, насоси), але протягом тривалого часу, обсяги енергозбереження внаслідок впровадження енергоефективного двигуна можуть виявитися незначними порівняно з потенціалом приводу зі змінною швидкістю;
- кожен додатковий відсоток ККД потребує збільшення маси активних матеріалів на 3–6%. При цьому момент інерції ротора зростає на 20-50%. Тому високоефективні двигуни поступаються звичайним за динамічними показниками, якщо при їх розробці спеціально не враховується ця вимога.

Практика та розрахунки показують, що витрати окупаються за рахунок заощадженої електроенергії при експлуатації в режимі S1 за рік-півтора (при річному напрацюванні 7000 годин).

Енергоефективність та надійність електричної машини нерозривно пов'язані. Зворотний бік енергоефективності – це втрати. Саме втрати є одним із превалюючих факторів, що визначають тривалість експлуатації двигуна. Візьмемо лише один аспект цієї проблеми – тепловий вплив на обмотки двигуна. Основна частина електричної енергії, яка в роботу не перетворюється, губиться у вигляді тепла. Розглядаючи надійність ізоляції обмоток, потрібно знати «Правило восьми градусів» (насправді для різних класів ізоляції слід вести про 8 – 13 °С): перевищення робочої температуридвигуна на вказану вище величину скорочує його тривалість життя у 2 рази. Приклад із практики. У вагонах московської монорейкової дороги внаслідок інженерних прорахунків перші дослідні двигуни з ізоляцією класу Н (180 °С) змушені були працювати за температури 215–220 °С. У такому режимі їх вистачало лише на кілька місяців експлуатації.

Двигуни, які мають підвищений ККД, менше гріються, а отже, довше живуть. Енергоефективні двигуни – це двигуни підвищеної надійності.

Ремонт чи покупка

Ще одна важлива проблема, що виникає при експлуатації електродвигунів, - зниження ККД після капітального ремонту Ринок ремонтних робітприблизно втричі перевищує можливості виробництва нових двигунів. Для отримання старої обмотки в більшості випадків застосовується тепловий вплив на статор разом зі станиною. Така операція значно погіршує властивості електротехнічної сталі, підвищує її магнітні втрати. Дослідження показали, що за капітальному ремонтіККД знижується на 0,5-2%, а іноді до 4-5%. Відповідно ці втрати починають додатково гріти двигун, що дуже погано. На практиці є два варіанти правильних дій. Економічно вигідний шлях – купівля нового енергоефективного двигуна. Другий варіант - високоякісний ремонт згорілого двигуна. Це слід робити над звичайному робочому цеху, але в спеціалізованому підприємстві.

Нові рішення від АББ

АББ приділяє енергоефективності двигунів дуже велику увагу. Ми випускаємо мотори класів IE2 та IE3 і в алюмінієвому, і в чавунному корпусі.

Двигуни класу IE3 АББ продає із початку цього року. Вони користуються попитом у машинобудівників і промислових підприємств, орієнтованих на енергоефективні технології. Вони хороші там, де потрібно постійна роботадвигуна з навантаженням, близьким до номінального.

У четвертому кварталі компанія АББ випускає ринку серію M3BP висотою осі обертання 280–355 з класом енергоефективності IE4 (SUPER PREMIUM EFFICIENCY). Серія M3BP – вершина конструкторських та технологічних розробоккомпанії АББ у галузі електромашинобудування. Поєднуючи в собі високу ефективність, надійність та тривалий термін служби, двигуни серії M3BP є найбільш оптимальною та універсальною пропозицією для більшості галузей та застосувань сучасної промисловості.

Важливе питання - робота двигуна у складі частотно-регульованого приводу. Ми займаємо місце в першій трійці світових виробників електроприводної техніки. Важливою перевагоюкомпанії АББ є можливість проведення спільного випробування двигунів із перетворювачами частоти.

При живленні двигуна від перетворювача частоти дуже важливо приділяти увагу таким питанням, як міцність ізоляції, застосування ізольованого підшипника та примусове охолодження двигуна.

Членами РЕВ було прийнято рішення збільшити потужність двигуна на 1-2 ступені, не змінюючи габариту, тобто по суті, зберігши колишній об'єм двигунів. Йдеться про введення ув'язки РЕВ замість ув'язки CENELEC, що діє в Європі, при впровадженні серії 4А. Наступним негативним кроком у контексті забезпечення енергоефективності стало зменшення заготівельних діаметрів серії АІР порівняно із серією 4А. Тоді, мабуть, це було правильно, потрібно було економити електротехнічні матеріали, але сьогодні ми зіткнулися з проблемою, що у зв'язку з РЕВ треба "увігнати" ККД, що відповідає класу IE2 або навіть IE3. Наші ретельні опрацювання показали, що заготівельних діаметрів молодших машинув'язування РЕВ не вистачає для забезпечення класу IE3. І якщо Росія діятиме в руслі Єврокомісії і орієнтуватиметься на норми МЕК 60034-30, нехай навіть з відставанням на два-три роки, то коли справа дійде до класу вищої енергоефективності IE3, з'ясується, що колосальний ряд машин – з 90-ї по 132 висоту - просто не зможе їх забезпечити. Доведеться ламати ув'язування, все, що робилося тридцять років, доведеться змінювати. Це справжня бомба уповільненої дії. Добре, що з габариту 160 і вище такої небезпеки немає. Незважаючи на збільшену потужність (або зменшений обсяг при потужності CENELEC), ми все ж таки зможемо досягти класу енергоефективності IE3. Зазначу, якщо для середніх габаритів у європейських виробників вартість двигунів класу IE3 в порівнянні з IE1 збільшується на 30-40%, то для російської ув'язки вартість машин зростає значно більше. Ми обмежені діаметром, а отже, змушені надмірно збільшувати активну довжину машини

Про матеріали та ціну АЕД

Ми маємо думати про ціну електричних машин. Мідь дорожчає значно швидше за сталі. Тому ми пропонуємо там, де можливо, використовувати так звані сталеві двигуни (з меншою площею пазів), тобто заощаджуємо мідь.

До речі, з тих же причин НІПТІЕМ не є прихильником двигунів з постійними магнітами, оскільки магніти дорожчатимуть все більше і швидше, ніж мідь. Хоча в рівних обсягах двигун із постійними магнітами забезпечує більший ККД, ніж асинхронник.

У вересневому номері КМ вийшла стаття про двигуни SEW Eurodrive, побудовані за технологією Line Start Permanent Magnet, за задумом творців, що поєднує переваги синхронної та асинхронної машин. По суті це машини з постійними магнітами, а короткозамкнута клітина ротора використовується при запуску, розганяючи машину до підсинхронної швидкості. Такі двигуни при вищому класіЕнергоефективності досить компактні. Мені здається, вони не отримають масового застосування, бо постійні магнітидуже потрібні в інших галузях, ніж загальнопром, і, за експертною оцінкою, надалі в основному будуть використовуватися для випуску спецтехніки, на яку грошей не шкодують.

Перші російські ЕЕД від РУСЕЛПРОМ

Серія 7AVE позиціонується як перша повномасштабна енергоефективна серія РФ із габаритами від 112 до 315. Фактично вся вона розроблена. Габарит 160 повністю впроваджено. Впроваджуються габарити 180 і 200. Починаючи з габариту 250, близько десяти типорозмірів машин серії 5А, що нині випускається, якщо перерахувати ККД на виміряні додаткові втрати, відповідають класу IE2; два типорозміри - класу IE3. У серії 7AVE названі типорозміри будуть економічнішими.

Зауважу, що перед російськими вченими стоїть дуже складне та захоплююче завдання оптимальної побудови серії асинхронних машин, яка містить кілька ув'язок (російська та європейська, підвищеної потужності) 13 габаритів, три класи енергоефективності, численні модифікації, тобто глобальне завдання багатооб'єктної оптимізації.

Фотографії надані ТОВ "АББ"

Електропривід 02.10.2019 Золоту медаль за інноваційну трансмісію eAutoPowr та інтелектуальну систему e8WD отримала компанія John Deereвід Сільськогосподарського товариства Німеччини (DLG). Ще за 39 продуктів та рішень були відзначені срібними нагородами.

Електропривід 30.09.2019 Компанія Sumitomo Heavy Industries досягла угоди про придбання виробника частотно-регульованих приводів Invertek Drives. Як повідомляється в релізі, це черговий крок стратегії розвитку бізнесу, як з точки зору збільшення портфеля, так і розширення охоплення світового ринку.

Вже близько п'яти років «НВО „Санкт-Петербурзька електротехнічна компанія“ (СПБЕК) наполегливо збирає на підприємствах, інститутах, наукових центрах колишнього Союзу впроваджені рацпропозиції, інновації, розробки.

Ще одна новація, яка застосовується в російських реаліях, пов'язана з ім'ям Дмитра Олександровича Дуюнова, який займається проблемою підвищення енергоефективності асинхронних двигунів:

"В Росії на частку асинхронних двигунів, за різними оцінками, припадає від 47 до 53% споживання всієї електроенергії, що виробляється. У промисловості в середньому 60%, в системах холодного водопостачання до 80%. Вони здійснюють практично всі технологічні процеси, пов'язані з рухом і охоплюють усі сфери життєдіяльності людини У кожній квартирі є асинхронних двигунів більше, ніж мешканців. Раніше, оскільки завдання економії енергоресурсів не було, під час проектування обладнання прагнули „підстрахуватися“, і використовували двигуни з потужністю, що перевищує розрахункову. Економія електроенергії у проектуванні відходила другого план, і таке поняття як енергоефективність був настільки актуальним. Промисловість Росії енергоефективні двигуни не проектувала і випускала. Перехід до ринкової економіки різко змінив ситуацію. Сьогодні заощадити одиницю енергетичних ресурсів, наприклад, 1 т палива в умовному обчисленні, вдвічі дешевше, ніж її видобути.

Енергоефективні двигуни (ЕД) - це асинхронні ЕД з короткозамкненим ротором, в яких за рахунок збільшення маси активних матеріалів, їх якості, а також за рахунок спеціальних прийомів проектування вдалося підняти на 1-2% ( потужні двигуни) або на 4-5% (невеликі двигуни) номінальний ККД при деякому збільшенні ціни двигуна. Цей підхід може приносити користь, якщо навантаження змінюється мало, регулювання швидкості не потрібно, і двигун правильно вибраний. З появою двигунів із поєднаними обмотками „Слов'янка“ є можливість суттєво покращити їх параметри без збільшення їхньої ціни. За рахунок покращеної механічної характеристики та більш високих енергетичних показників, стало можливим не тільки економити від 30 до 50% споживання енергії при тій же корисній роботі, але й створювати регульований привід унікальними характеристиками, що не має аналогів у світі.

На відміну від стандартних, ЕД з поєднаними обмотками мають більш високу кратність моментів, мають ККД і коефіцієнт потужності близький до номінального в широкому діапазоні навантажень. Це дозволяє підвищити середнє навантаження на двигун до 0,8 та підвищити експлуатаційні характеристикиустаткування, що обслуговується приводом.

Порівняно з відомими методами підвищення енергоефективності асинхронного приводу, новизна пропонованого нами підходу полягає у зміні основоположного принципу конструкції класичних обмоток двигуна. Наукова новизна у тому, що сформульовані нові принципи конструювання обмоток двигунів, і навіть вибору оптимальних співвідношень чисел пазів ротора і статора. На їх основі розроблені промислові конструкції та схеми одношарових та двошарових суміщених обмоток, як для ручного, так і для автоматичного укладання обмоток на стандартному устаткуванні. На технічні рішення отримано низку патентів РФ.

Сутність розробки випливає з того, що в залежності від схеми підключення трифазного навантаження до трифазної мережі (зірка або трикутник) можна отримати дві системи струмів, що утворює між векторами кут 30 електричних градусів. Відповідно, до трифазної мережі можна підключити електродвигун, що має трифазну обмотку, а шестифазну. При цьому частина обмотки повинна бути включена в зірку, а частина в трикутник і результуючі вектори полюсів однойменних фаз зірки та трикутника повинні утворювати між собою кут 30 електричних градусів. Поєднання двох схем в одній обмотці дозволяє покращити форму поля в робочому зазорі двигуна і як наслідок суттєво покращити основні характеристики двигуна.

У порівнянні з відомими, частотно-регульований привід може бути виконаний на базі нових двигунів з поєднаними обмотками з підвищеною частотою напруги живлення. Це досягається за рахунок менших втрат у сталі магнітопроводу двигуна. В результаті собівартість такого приводу виходить суттєво нижчою, ніж при використанні стандартних двигунів, зокрема, значно знижуються шумність та вібрації».

В енергозберігаючих двигунах за рахунок збільшення маси активних матеріалів (заліза та міді) підвищено номінальні значення ККД та cosj. Енергозберігаючі двигуни використовуються, наприклад, у США, і дають ефект при постійному навантаженні. Доцільність застосування енергозберігаючих двигунівповинна оцінюватися з урахуванням додаткових витрат, оскільки невелике (до 5%) підвищення номінальних ККД та cosj досягається за рахунок збільшення маси заліза на 30-35%, міді на 20-25%, алюмінію на 10-15%, тобто. подорожчання двигуна на 30–40%.

Орієнтовні залежності ККД (h) та соs j від номінальної потужності для звичайних та енергозберігаючих двигунів фірми Гоулд (США) наведені на малюнку.

Підвищення ККД енергозберігаючих електродвигунів досягається такими змінами в конструкції:

· Подовжуються сердечники, що збираються з окремих пластин електротехнічної сталі з малими втратами. Такі осердя зменшують магнітну індукцію, тобто. втрати у сталі.

· Зменшуються втрати в міді за рахунок максимального використання пазів та використання провідників підвищеного перерізу в статорі та роторі.

· Додаткові втрати зводяться до мінімуму за рахунок ретельного вибору числа та геометрії зубців та пазів.

· Виділяється при роботі менше тепла, що дозволяє зменшити потужність та розміри охолоджуючого вентилятора, що призводить до зменшення вентиляторних втрат і, отже, зменшення загальних втрат потужності.

Електродвигуни із підвищеним ККД забезпечують зменшення витрат на електроенергію за рахунок скорочення втрат в електродвигуні.

Проведені випробування трьох "енергозберігаючих" електродвигунів показали, що при повному навантаженні отримана економія склала: 3,3% для електродвигуна 3 кВт, 6% для електродвигуна 7,5 кВт та 4,5% для електродвигуна 22 кВт.

Економія при повному навантаженні становить приблизно 0,45 кВт, що за вартості енергії 0,06 долара/кВт. год становить 0,027 долара/год. Це еквівалентно 6% експлуатаційних витрат електродвигуна.

Ціна звичайного електродвигуна 7,5 кВт, що наводиться в прайс-листах, становить 171 долар США, тоді як вартість електродвигуна з підвищеним ККД – 296 доларів США (надбавка до ціни – 125 доларів США). З наведеної таблиці випливає, що період окупності електродвигуна з підвищеним ККД, розрахований з урахуванням маргінальних витрат, становить приблизно 5000 годин, що еквівалентно 6,8 місяців роботи електродвигуна при номінальному навантаженні. При менших навантаженнях період окупності буде дещо більшим.

Ефективність використання енергозберігаючих двигунів буде тим вищою, чим більше завантаження двигуна і чим ближче режим роботи його до постійного навантаження.

Застосування та заміна двигунів на енергозберігаючі має оцінюватись з урахуванням усіх додаткових витрат та термінів їх експлуатації.

Сучасні трифазні енергозберігаючі двигуни дозволяють суттєво знизити витрати на електроенергію завдяки вищому коефіцієнту корисної дії. Тобто такі двигуни здатні виробити більшу кількість механічної енергії з кожного витраченого кіловата електричної енергії. Більше ефективне витрачання енергії досягається за рахунок індивідуальної компенсації реактивної потужності. При цьому конструкція енергозберігаючих електродвигунів відрізняється високою надійністюта тривалим терміном служби.

Універсальний трифазний енергозберігаючий електродвигун Вesel 2SIE 80-2B виконання IMB14

Застосування трифазних енергозберігаючих двигунів

Використовувати трифазні енергозберігаючі двигуни можна практично у всіх галузях. Від традиційних трифазних двигунів вони відрізняються лише малим споживанням енергії. В умовах постійного зростання цін на енергоносії енергозберігаючі електродвигуни можуть стати по-справжньому вигідним варіантом як для невеликих виробників товарів та послуг, так і для великих промислових підприємств.

Гроші, витрачені на придбання трифазного енергозберігаючого двигуна досить швидко повернуться до вас у вигляді економії коштів, що направляються на придбання електрики. Наш магазин пропонує вам отримати додатковий зиск, придбавши якісний трифазний енергозберігаючий двигун за дійсно невисокою ціною. Заміна застарілих морально та фізично електродвигунів на нові високотехнологічні енергозберігаючі моделі – ваш черговий крок на новий рівень рентабельності бізнесу.

Енергозберігаючі двигуни

Розумні рішення щодо економії електроенергії

Енергозберігаючі двигуни Сіменс випускаються з класами ефективності „EFF1“ та „EFF2“ за CEMEP

• Число полюсів 2 та 4
• Діапазон потужностей 1.1...90 кВт
• 50 Гц версія IEC 34-2
• EFF1 (Високоефективні двигуни)
• EFF2 (Двигуни з покращеною ефективністю)

Для зменшення викиду CO 2 виробники двигунів зобов'язалися проводити маркування двигунів за класами ефективності.

EPACT – двигуни для американського ринку

Всебічна лінія двигунів EPACT з IEC розмірами

• Число полюсів: 2,4 та 6
• Діапазон потужностей: від 1 HP до 200 HP (0.75 кВт до 150 кВт)
• 60 Гц версії в IEEE 112b

У відповідності з актом від жовтня 97 до EPACT, ккд двигунів, Ввезені безпосередньо або іншими шляхами в США, повинні задовольняти мінімальним значенням.

Переваги для покупця та навколишнього середовища

Енергозберігаючі двигуни з оптимальним ккд, споживають менше енергії за однієї і тієї ж вихідної потужності. Збільшення у продуктивності досягнуто за допомогою більш високої якості заліза (чавун, мідь та алюміній) та технічного вдосконалення кожної деталі. Втрати енергії знижено на 45%. Покупець отримує величезну економію коштів завдяки мінімізації експлуатаційних витрат.

При використанні енергозберігаючих двигунів знижується шкода, що завдається навколишньому середовищі. Можливість енергозбереження становить до 20 ТВт на рік, що еквівалентно потужності 8 теплових електростанцій та викидам в атмосферу 11 мільйонів тонн вуглекислого газу.