Енергоефективний високовольтний двигун. Підвищення енергоефективності асинхронних двигунів Енергозберігаючі двигуни Сіменс випускаються з класами ефективності „EFF1“ та „EFF2“ за CEMEP

Під енергоефективністю розуміється раціональне використання енергетичних ресурсів, за допомогою якого досягається зменшення споживання енергії при тому рівні навантажувальної потужності.

На рис. 1а, б наведено приклади нераціонального та раціонального використання енергії. Потужності Рн приймачів 1 і 2 однакові, при цьому втрати Р1, що виділяються в приймачі 1, значно перевершують втрати Р2, які виділяються в приймачі 2. Як наслідок, споживана потужність Рп1 приймачем 1 більше потужності Рп2, споживаної приймачем 2. Таким чином, приймач 2 є енергоефективним порівняно із приймачем 1.

Мал. 1а. Нераціональне використання енергії

Приймач 2

Мал. 1б. Раціональне використанняенергії

У сучасному світіпитанням енергоефективності приділяється особлива увага. Пояснюється це частково тим, що вирішення цього завдання може призвести до досягнення основних цілей міжнародної енергетичної політики:

підвищення енергетичної безпеки;
зниження шкідливого екологічного впливу внаслідок використання енергоресурсів;
підвищення конкурентоспроможності промисловості загалом.

Останнім часом було вжито низку ініціатив та заходів щодо енергоефективності на регіональному, національному та міжнародному рівнях.

Енергетична стратегія Росії

У Росії розроблено Енергетичну стратегію, яка передбачає розгортання програми енергоефективності в рамках комплексної політики енергозбереження. Ця програма спрямована на створення базисних умов для прискореного технологічного оновлення енергетичної галузі, розвитку сучасних переробних виробництв та транспортних потужностей, а також на освоєння нових перспективних ринків.

23 листопада 2009 р. президентом Російської ФедераціїД.А. Медведєвим було підписано Федеральний закон№ 261-ФЗ "Про енергозбереження та про підвищення енергетичної ефективності та про внесення змін до окремих законодавчих актів Російської Федерації". Цей законформує принципово нове ставлення до процесу енергозбереження. У ньому чітко окреслено повноваження та вимоги у цій галузі для всіх рівнів влади, а також закладено основу для досягнення реального результату. Законом запроваджується обов'язок з обліку енергетичних ресурсів для всіх підприємств. Організації, сукупні річні витрати яких на споживання енергоресурсів перевищують 10 мільйонів рублів, пропонується зобов'язати до 31 грудня 2012 року і далі не рідше 1 разу на 5 років проходити енергетичні обстеження, за результатами яких складається енергетичний паспорт підприємства, що фіксує просування за шкалою.

З ухваленням закону «Про енергоефективність», одними з ключових статей документа стали поправки до Податкового кодексу (Стаття 67 частина 1), які звільняють від податку на прибуток підприємства, які використовують об'єкти, що мають найвищий класенергоефективності. Уряд РФ готовий надавати субсидії та зниження податкового навантаження тим підприємствам, які готові підняти своє обладнання до рівня енергозберігаючої техніки.

Енергоефективність електродвигунів

За даними РАТ «ЄЕС Росії» за 2006 рік близько 46% вироблюваної електроенергії в Росії споживається промисловими підприємствами (рис. 1), половина цієї енергії за допомогою електродвигунів перетворюється на механічну.

Мал. 2. Структура споживання електроенергії у Росії

У процесі перетворення енергії частина її втрачається у вигляді тепла. Розмір втраченої енергії визначається енергетичними показниками двигуна. Застосування енергоефективних електродвигунів дозволяє суттєво знизити споживання енергії та зменшити вміст вуглекислого газу у навколишньому середовищі.

Основним показником енергоефективностіелектродвигуна, є його коефіцієнт корисної дії(далі ККД):

η=P2/P1=1 – ΔP/P1,

де Р2 – корисна потужність на валу електродвигуна, Р1 – активна потужність споживана електродвигуном з мережі, ΔP – сумарні втрати, що виникають в електродвигуні.

Очевидно, чим вище ККД (і відповідно нижче втрати), тим менше енергії споживає електродвигун з мережі для створення тієї ж потужності P2. Як демонстрацію економії електроенергії при використанні енергоефективних двигунів порівняємо кількості споживаної потужності на прикладі електродвигунів ABB звичайної (М2АА) та енергоефективної (М3АА) серій (рис. 3).

1. Серія М2АА(Клас енергоефективності IE1): потужність Р2 = 55 кВт, частота обертання n = 3000 об / хв, η = 92,4%, cosφ = 0,91

Р1 = Р2 / η = 55/0,924 = 59,5 кВт.

Сумарні втрати:

ΔP=Р1-Р2=59,5-55=4,5 кВт.

Q = 4,5 · 24 · 365 = 39420 кВт.

C = 2 · 39420 = 78840 руб.

2. Серія М3АА(Клас енергоефективності IE2): потужність Р2 = 55 кВт, частота обертання n = 3000 об / хв, η = 93,9%, cosφ = 0,88

Активна потужність, яка споживається з мережі:

Р1 = Р2 / η = 55/0,939 = 58,6 кВт.

Сумарні втрати:

ΔP=Р1-Р2=58,6-55=3,6 кВт.

Якщо припустити, що даний двигунпрацює 24 години на добу, 365 днів на рік, то кількість енергії, що втрачається і виділяється у вигляді тепла

Q = 3,6 · 24 · 365 = 31536 кВт.

За середньої вартості електроенергії 2 руб. за кВт/год кількість втраченої електроенергії за 1 рік у грошовому еквіваленті

C = 2 · 31536 = 63072 руб.

Таким чином, у разі заміни звичайного електродвигуна (клас IE1) енергоефективним (клас IE2) економія енергії становить 7884 кВт на рік на один двигун. При використанні 10 таких електродвигунів економія складе 78 840 кВт на рік або в грошовому вираженні 157 680 руб. / Рік. Отже, ефективне використання електроенергії дозволяє підприємству знизити собівартість своєї продукції, цим, підвищивши її конкурентоспроможність.

Вартісна різниця електродвигунів з класами енергоефективності IE1 і IE2, що становить 15621 руб., Окуповується приблизно за 1 рік.

Мал. 3. Порівняння звичайного електродвигуна з енергоефективним

Слід зазначити, що зі зростанням енергоефективності збільшується і термін служби двигуна. Це наступним. Джерелом нагрівання двигуна є втрати, що виділяються в ньому. Втрати в електричних машинах (ЕМ) поділяються на основні, обумовлені електромагнітними і механічними процесами, що протікають в ЕМ, і додаткові, обумовлені різними вторинними явищами. Основні втрати поділяють такі класи:

1. механічні втрати (включають вентиляційні втрати, втрати в підшипниках, втрати на тертя щіток об колектор або контактні кільця);
2. магнітні втрати (втрати на гістерезис та вихрові струми);
3. електричні втрати (втрати в обмотках під час протікання струму).

Відповідно до емпіричного закону термін служби ізоляції зменшується вдвічі зі збільшенням температури на 100С. Таким чином, термін служби двигуна з підвищеною енергоефективністю дещо більший, оскільки втрати і отже нагрівання енергоефективного двигуна менше.

Способи підвищення енергоефективності двигуна:

1. Застосування електротехнічних сталей з покращеними магнітними властивостямита зменшеними магнітними втратами;
2. Використання додаткових технологічних операцій (наприклад, відпал для відновлення магнітних властивостей сталей, що зазвичай погіршуються після механообробки);
3. Використання ізоляції з підвищеною теплопровідністю та електричною міцністю;
4. Поліпшення аеродинамічних властивостей зниження вентиляційних втрат;
5. Використання високоякісних підшипників (NSK, SKF);
6. Збільшення точності обробки та виготовлення вузлів та деталей двигуна;
7. Використання двигуна разом із частотним перетворювачем.

Ще одним важливим параметром, Що характеризує енергоефективність електродвигуна, є коефіцієнт навантаження cosφ. Коефіцієнт навантаження визначає частку активної потужності в повній, що надходить електродвигун з мережі.

де S - Повна потужність.

У цьому лише активна потужність перетворюється на корисну потужність на валу, реактивна потужність потрібна лише створення електромагнітного поля. Реактивна потужність надходить у двигун і повертається назад у мережу з подвоєною частотою мережі 2f, створюючи тим самим у лініях, що підводять, додаткові втрати. Таким чином, система, що складається з двигунів з високим значенням ККД, але низькими значеннями cosφ, не може вважатися енергоефективною.

Перешкоди на шляху впровадження енергоефективних систем електроприводу

Не дивлячись на високу результативність енергоефективних рішень, на сьогоднішній день існує низка перешкод для поширення енергоефективних систем електроприводу:

1. Заміна лише одного або двох електродвигунів на цілому підприємстві є несуттєвим заходом;
2. Низький рівень інформованості споживачів у галузі класів енергоефективності двигунів, їх відмінностей та існуючих стандартів;
3. Роздільне фінансування на багатьох підприємствах: розпорядник бюджету на закупівлю електродвигунів часто є не тією особою, яка займається питаннями зниження собівартості продукції або несе щорічні витрати на технічне обслуговування;
4. Придбання електродвигунів у складі комплексного обладнання, виробники якого часто з метою здешевлення продукції встановлюють електродвигуни низької якості;
5. У межах однієї компанії витрати на придбання обладнання та на споживання енергії за термін служби часто оплачуються за різними статтями;
6. На багатьох підприємствах існують запаси електродвигунів, як правило, того самого типу і того ж класу ефективності.

Важливим аспектом у питаннях, пов'язаних з енергоефективністю електричних машин, є популяризація ухвалення рішення на придбання обладнання на основі оцінки сумарних експлуатаційних витрат за термін служби.

Нові міжнародні стандарти, що регламентують енергоефективність електродвигунів.

У 2007, 2008 роках. IEC було введено два нові стандарти, що стосуються енергоефективності електродвигунів: стандарт IEC/EN 60034-2-1 встановлює нові правила визначення ККД, стандарт IEC 60034-30 – нові класи енергоефективності електродвигунів.

У стандарті IEC 60034-30 встановлено три класи енергоефективності трифазних асинхронних електродвигунів із короткозамкненим ротором (рис.4).

Мал. 4. Класи енергоефективності згідно з новим стандартом IEC 60034-30

В даний час позначення класів енергоефективності часто можна побачити у вигляді наступних комбінацій: EFF3, EFF2, EFF1. Проте межі розподілу класів (рис. 5) встановлені старим стандартом IEC 60034-2, на зміну якому прийшов новий IEC 60034-30 (рис. 4).

Мал. 5. Класи енергоефективності згідно зі старим стандартом IEC 60034-2.

Стаття взята із сайту szemo.ru

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 двигунів має 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%, т .е. 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 електродвигунівдосягається наступними 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.

УДК 621.313.333:658.562

ЕНЕРГОЕФЕКТИВНІ АСИНХРОННІ ДВИГУНИ ДЛЯ РЕГУЛЮВАНОГО ЕЛЕКТРОПРИВОДУ

О.О. Муравльова

Томський політехнічний університет E-mail: [email protected]

Розглянуто можливість створення енергоефективних асинхронних двигунівбез зміни поперечного перерізу для регульованих електроприводів, що дозволяє забезпечити реальне енергозбереження. Показано шляхи забезпечення енергозбереження за рахунок використання асинхронних двигунів. підвищеної потужностіу насосних агрегатах сфери житлово-комунального господарства. Проведені економічні розрахунки та аналіз результатів показують економічну ефективність використання двигунів підвищеної потужності, незважаючи на збільшення вартості самого двигуна.

Вступ

Відповідно до «Енергетичної стратегії на період до 2020 року» найвищим пріоритетом державної енергетичної політики є підвищення енергоефективності промисловості. Ефективність російської економіки істотно знижується через її високу енергоємність. За цим показником Росія випереджає США у 2,6 раза, Західну Європу у 3,9 раза, Японію – у 4,5 раза. Лише частково зазначені відмінності можуть бути виправдані суворими кліматичними умовами Росії та обширністю її території. Одним з основних способів запобігання енергетичній кризі в нашій країні є проведення політики, яка передбачає масштабне впровадження на підприємствах енерго- та ресурсозберігаючих технологій. Енергозбереження перетворилося на пріоритетний напрямок технічної політики у всіх розвинених країнах світу.

У найближчому майбутньому проблема енергозбереження підвищить свій рейтинг при прискореному розвитку економіки, коли з'явиться дефіцит електричної енергії та компенсувати його можна двома шляхами – запровадженням нових енергогенеруючих систем та енергозбереженням. Перший шлях більш дорогий і тривалий у часі, а другий значно швидше і економічно вигідніше тому, що 1 кВт потужності при енергозбереженні коштує в 4...5 разів менше, ніж у першому випадку. Великі витрати електричної енергії на одиницю загального валового продукту створюють величезний потенціал енергозбереження народному господарстві. В основному висока енергоємність економіки викликана використанням енергорозтратних технологій та обладнання, великими втратами енергоресурсів (при їх видобуванні, переробці, перетворенні, транспорті та споживанні), нераціональною структурою економіки (висока частка енергоємного промислового виробництва). В результаті накопичився великий потенціал енергозбереження, що оцінюється в 360430 млн. т у. т., або 38.46% сучасного споживання енергії. Реалізація цього потенціалу може дозволити при зростанні економіки за 20 років у 2,3...3,3 рази обмежитися зростанням споживання енергії всього в 1,25.1,4 раза, значно підвищити якість життя громадян і конкурентоспроможність вітчизняних.

них товарів та послуг на внутрішньому та зовнішньому ринках. Таким чином, енергозбереження є важливим фактором економічного зростання та підвищення ефективності народного господарства.

Метою даної є розгляд можливостей створення енергоефективних асинхронних двигунів (АТ) для регульованих електроприводів для забезпечення реального енергозбереження.

Можливості створення енергоефективних

асинхронних двигунів

У цій роботі з урахуванням системного підходу визначено ефективні шляхи забезпечення реального енергозбереження. Системний підхід до енергозбереження об'єднує два напрями – удосконалення перетворювачів та асинхронних двигунів. Враховуючи можливості сучасної обчислювальної техніки, удосконалення методів оптимізації, приходимо до необхідності створення програмно-обчислювального комплексу для проектування енергоефективних АТ, які працюють у електроприводах, що регулюються. Зважаючи на великий потенціал енергозбереження у житлово-комунальному господарстві (ЖКГ), розглянемо можливості застосування регульованого електроприводу на базі асинхронних двигунів у цій сфері.

Вирішення проблеми енергозбереження можливе при вдосконаленні регульованого електроприводу на базі асинхронних двигунів, які мають бути спроектовані та виготовлені спеціально для енергозберігаючих технологій. В даний час потенціал енергозбереження для наймасовіших електроприводів - насосних агрегатів становить понад 30% від споживаної потужності. З моніторингу в Алтайському краї можна отримати під час використання регульованого електроприводу з урахуванням асинхронних двигунів такі показники: економія електроенергії - 20.60 %; економія води – до 20 %; виключення гідравлічних ударів у системі; зниження пускових струмів двигунів; мінімізація витрат на обслуговування; зниження ймовірності виникнення аварійних ситуацій. Це вимагає вдосконалення всіх ланок електроприводу, і, перш за все, основного елемента, що виконує електромеханічне перетворення енергії - асинхронного двигуна.

Зараз у більшості випадків у регульованому електроприводі використовуються серійні асинхронні двигуни. загального призначення. Рівень витрат активних матеріалів на одиницю потужності АТ практично стабілізувався. Згідно з деякими оцінками застосування серійних АТ у регульованих електроприводах призводить до зниження їх ККД та підвищення встановленої потужності на 15.20%. Серед російських та зарубіжних фахівців висловлюється думка про те, що для таких систем потрібні спеціальні двигуни. В даний час потрібно новий підхіддо проектування у зв'язку з енергетичною кризою Маса АТ перестала бути визначальним чинником. На перший план виходить підвищення енергетичних показників, у тому числі за рахунок збільшення їхньої вартості та витрати активних матеріалів.

Одним із перспективних способів удосконалення електроприводу є проектування та виготовлення АТ спеціально для конкретних умов експлуатації, що сприятливо для забезпечення енергозбереження. У цьому вирішується завдання адаптації АТ до конкретного електроприводу, що дає найбільший економічний ефект за умов експлуатації.

Слід зазначити, що випуск АТ спеціально для регульованого електроприводу виробляють фірми Simens (Німеччина), Atlans-Ge Motors (США), Lenze Bachofen (Німеччина), Leroy Somer (Франція), Мейден (Японія). Існує стійка тенденція світового електромашинобудування щодо розширення виробництва таких двигунів. В Україні розроблено програмний комплекс проектування модифікацій АТ для регульованого електроприводу. У нашій країні затверджено ГОСТ Р 51677-2000 для АТ з високими енергетичними показниками і, можливо, найближчим часом буде організовано їх випуск. Застосування модифікацій АТ, спеціально спроектованих для забезпечення ефективного енергозбереження, – перспективний напрямок для вдосконалення асинхронних двигунів.

При цьому постає питання про обґрунтований вибір відповідного двигуназ різноманітної за виконанням, модифікацій номенклатури двигунів, тому що застосування загальнопромислових асинхронних двигунів для електроприводу з регульованою частотоюобертання виявляється неоптимальним за масогабаритними, вартісними та енергетичними показниками. У зв'язку з цим потрібне проектування енергоефективних асинхронних двигунів.

Енергоефективним є асинхронний двигун, в якому з використанням системного підходу при проектуванні, виготовленні та експлуатації підвищено ККД, коефіцієнт потужності та надійність. Характерними вимогами до загальнопромислових приводів є мінімізація капітальних та експлуатаційних витрат,

зокрема і технічне обслуговування. У зв'язку з цим, а також через надійність і простоту механічної частини електроприводу переважна більшість загальнопромислових електроприводів будуються саме на основі асинхронного двигуна - найбільш економічного двигунащо конструктивно простий, невибагливий і має низьку вартість. Аналіз проблем регульованих асинхронних двигунів показав, що їх розробка повинна виконуватися на підставі системного підходу з урахуванням особливостей роботи в електроприводах, що регулюються.

В даний час у зв'язку з зростанням вимог до ефективності за рахунок вирішення питань енергозбереження та підвищення надійності функціонування електротехнічних систем набувають особливої актуальності завдання модернізації асинхронних двигунів для покращення їх енергетичних характеристик (ККД та коефіцієнта потужності), отримання нових споживчих якостей (удосконалення захисту від навколишнього середовища, у тому числі герметизація), забезпечення надійності при проектуванні, виготовленні та експлуатації асинхронних двигунів. Тому при виконанні досліджень та розробок у галузі модернізації та оптимізації асинхронних двигунів необхідно створення відповідних методик для визначення їх оптимальних параметрів, умови отримання максимальних енергетичних характеристик, і розрахунку динамічних характеристик (час пуску, нагрівання обмоток і т.д.). В результаті теоретичних та експериментальних досліджень важливо визначити найкращі абсолютні та питомі енергетичні характеристики асинхронних двигунів, виходячи з вимог, що висуваються до регульованого електроприводу. змінного струму.

Вартість перетворювача зазвичай у кілька разів вища за вартість асинхронного двигуна однакової потужності. Асинхронні двигуни є основними перетворювачами електричної енергії на механічну, і значною мірою вони визначають ефективність енергозбереження.

Існує три шляхи забезпечення ефективного енергозбереження при застосуванні регульованого електроприводу на базі асинхронних двигунів:

Удосконалення АТ без зміни поперечного перерізу;

Удосконалення АТ зі зміною геометрії статора та ротора;

Вибір АТ загальнопромислового виконання

більшої потужності.

Кожен з цих способів має свої переваги, недоліки та обмеження щодо застосування та вибір одного з них можливий лише шляхом економічної оцінки відповідних варіантів.

Удосконалення та оптимізація асинхронних двигунів зі зміною геометрії статора та ротора дасть більший ефект, спроектований двигун матиме кращі енергетичні та динамічні характеристики. Однак при цьому фінансові витрати на модернізацію та переобладнання виробництва для його випуску становитимуть значні суми. Тому на першому етапі розглянемо заходи, які не вимагають великих фінансових витрат, але дозволяють забезпечити реальне енергозбереження.

Результати дослідження

В даний час АТ для регульованого електроприводу практично не розробляються. Доцільно використовувати спеціальні модифікації асинхронних двигунів, у яких зберігаються штампи на листи статора та ротора та основні конструкційні елементи. У цій статті розглядається можливість створення енергоефективних АТ шляхом зміни довжини осердя статора (/), числа витків у фазі обмотки статора (№) та діаметра дроту при використанні заводської геометрії поперечного перерізу. На початковому етапі була проведена модернізація асинхронних двигунів із короткозамкненим ротором за рахунок зміни лише активної довжини. Як базового двигунавзято асинхронний двигун АИР112М2 потужністю 7,5 кВт, що випускається на ВАТ «Сибелектромотор» (м. Томськ). Значення довжини осердя статора для розрахунків приймалися в діапазоні /=100.170%. Результати розрахунків у вигляді залежностей максимального (Ппш) та номінального (цн) ККД від довжини для взятого типорозміру двигуна представлені на рис. 1.

Мал. 1. Залежності максимального та номінального коефіцієнта корисної дії при різній довжині сердечника статора

З рис. 1 видно, як кількісно змінюється значення ККД зі збільшенням довжини. Модернізований АТ має номінальний ККД вище, ніж у базового двигуна при зміні довжини сердечника статора до 160%, при цьому найбільше високі значенняномінального ККД спостерігаються за 110.125 %.

Зміна тільки довжини сердечника і, як наслідок, зменшення втрат у сталі, незважаючи на деяке збільшення ККД, не є найефективнішим шляхом удосконалення асинхронного двигуна. Більш раціональним буде зміна довжини та обмотувальних даних двигуна (кількість витків обмотки та переріз проводу обмотки статора). При розгляді даного варіанта значення довжини осердя статора для розрахунків приймалися в діапазоні / = 100.130%. Діапазон зміни витків статора обмотки приймався рівним №=60.110 %. У базового двигуна значення № = 108 витків і п = 0,875. На рис. 2 представлений графік зміни значення ККД при зміні обмотувальних даних та активної довжини двигуна. При зміні кількості витків обмотки статора у бік зменшення відбувається різке падіння значень ККД до 0,805 і 0,819 у двигунів з довжиною 100 і 105 % відповідно.

Двигуни в діапазоні зміни довжини /=110.130 % мають значення ККД вище, ніж у базового двигуна, наприклад №=96 ^»=0,876.0,885 і №=84 при 1=125.130 % мають п»=0,879.0,885. Доцільно розглядати двигуни з довжиною в діапазоні 110.130%, і при зниженні кількості витків статора обмотки на 10%, що відповідає №=96 витків. Екстремум функції (рис. 2), виділений темним кольором, відповідає даним значенням довжини та витків. Значення ККД у своїй зростає на 0,7.1,7 % і як

Третій шлях забезпечення енергозбереження ми бачимо в тому, що можна застосовувати асинхронний двигун загальнопромислового виконання більшої потужності. Значення довжини осердя статора для розрахунків приймалися в діапазоні /=100.170%. Аналіз даних показує, що з досліджуваного двигуна АИР112М2 потужністю 7,5 кВт зі збільшенням його довжини до 115 % максимальне значення ККД п,шх=0,885 відповідає потужності Р2ш„=5,5 кВт. Цей факт вказує на те, що можна використовувати в регульованому електроприводі двигуни серії АІР112М2 зі збільшеною довжиною потужністю 7,5 кВт замість базового двигуна потужністю 5,5 кВт серії АІР90М2. У двигуна потужністю 5,5 кВт стоїть.

мість споживаної електроенергії за рік становить 71950 р., що значно вище за аналогічний показник у двигуна збільшеної довжини (115 % від базового) потужністю 7,5 кВт при С=62570 р. Однією з причин цього є скорочення частки електроенергії на покриття втрат в АТ за рахунок роботи двигуна в області підвищених значень ККД.

Підвищення потужності двигуна має бути обґрунтовано як технічною, так і економічною необхідністю. При дослідженні двигунів підвищеної потужності взято ряд АТ загальнопромислового застосування серії АІР у діапазоні потужностей 3.75 кВт. Як приклад розглянемо АТ із частотою обертання 3000 об/хв, які найчастіше застосовують у насосних агрегатах ЖКГ, що пов'язано зі специфікою регулювання насосного агрегату.

Мал. 3. Залежність економії за середній термін служби від корисної потужності двигуна: хвиляста лінія побудована за результатами розрахунку, суцільна – апроксимована

Для обґрунтування економічної вигоди застосування двигунів підвищеної потужності були проведені розрахунки та порівняння двигунів необхідної для даної задачі потужності та двигунів, що мають потужність на щабель вище. На рис. 3 представлені графіки економії за середній термін служби (Е10) корисної потужності на валу двигуна. Аналіз отриманої залежності показує

економічну ефективність використання двигунів підвищеної потужності, незважаючи на збільшення вартості самого двигуна. Економія електроенергії за середній термін служби становить двигунів зі швидкістю обертання 3000 об/хв 33.235 тис. р.

Висновок

Величезний потенціал енергозбереження у Росії визначається великими витратами електричної енергії народному господарстві. Системний підхід при розробці асинхронних регульованих електроприводів та організація їхнього серійного виробництва може забезпечити ефективне енергозбереження, зокрема, у житлово-комунальному господарстві. При вирішенні проблеми енергозбереження слід застосовувати асинхронний електропривод, що регулюється, альтернативи якому в даний час немає.

1. Завдання створення енергоефективних асинхронних двигунів, що відповідають конкретним умовам експлуатації та енергозбереження, необхідно вирішувати для конкретного електроприводу, що регулюється, використовуючи системний підхід. В даний час застосовується новий підхід до проектування асинхронних двигунів. Визначальним чинником підвищення енергетичних характеристик.

2. Розглянуто можливість створення енергоефективних асинхронних двигунів без зміни геометрії поперечного перерізу при збільшенні довжини сердечника статора до 130 % та зниженні числа витків статора обмотки до 90 % для регульованих електроприводів, що дозволяє забезпечити реальне енергозбереження.

3. Показано шляхи забезпечення енергозбереження за рахунок використання асинхронних двигунів підвищеної потужності у насосних агрегатах сфери житлово-комунального господарства. Наприклад, при заміні двигуна АІР90М2 потужністю 5,5 кВт двигуном АІР112М2 економія електроенергії становить до 15%.

4. Проведені економічні розрахунки та аналіз результатів показують економічну ефективність використання двигунів підвищеної потужності, незважаючи на збільшення вартості самого двигуна. Економія електроенергії за середній термін служби виявляється у десятках і сотнях тис. н. в залежності від потужності двигуна і складає 33.325 тис. н. для асинхронних двигунів із частотою обертання 3000 об/хв.

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

1. Енергетична стратегія Росії на період до 2020 р. // ПЕК.

2003. – № 2. – С. 5-37.

2. Андронов А.Л. Енергозбереження в системах водопостачання засобами частотного регулювання електроприводу // Електроенергія та майбутнє цивілізації: Матер. наук.-техн. конф. – Томськ, 2004. – С. 251-253.

3. Сідельніков Б.В. Перспективи розвитку та застосування безконтактних регульованих електродвигунів // Енергозбереження. – 2005. – № 2. – С. 14-20.

4. Петрушин В.С. Системний підхід при проектуванні регульованих асинхронних двигунів // Електромеханіка, електротехнології та електроматеріалознавство: Праці 5-й Міждунар. конф. МКЕЕЕ-2003. – Крим, Алушта, 2003. – Ч. 1. -С. 357-360.

5. ГОСТ Р 51677-2000 Машини асинхронні електричні потужністю від 1 до 400 кВт включно. Двигуни. Показники ефективності. - М: Вид-во стандартів, 2001. - 4 с.

6. Muraviev O.P., Muravieva O.O. Induction variable speed drive є основою ефективної енергетичної підтримки // 8th Російсько-Korean Intern. Symp. Science and Technology KORUS 2004. - Tomsk: TPU, 2004.

V. 1. – P. 264-267.

7. Muraviev O.P., Muravieva O.O., Вектер Е.В. Energetic Parameters of Induction Motors є основою Energy Saving в 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 Є.В. Вибір асинхронних двигунів підвищеної потужності для забезпечення енергозбереження насосних агрегатів у ЖКГ // Сучасна техніка та технології: Праці 11-й Міжнар. наук.-практ. конф. молоді та студентів. -Томськ: Вид-во ТПУ, 2005. – Т. 1. – С. 239-241.

УДК 621.313.333:536.24

МОДЕЛЮВАННЯ РОБОТИ БАГАТОФАЗНИХ АСИНХРОННИХ ДВИГУНІВ В АВАРІЙНИХ РЕЖИМАХ ЕКСПЛУАТАЦІЇ

Д.М. Глухів, О.О. Муравльова

Томський політехнічний університет E-mail: [email protected]

Запропоновано математичну модель теплових процесів у багатофазному асинхронному двигуні, яка дозволяє розрахувати перевищення температури обмотки при аварійних режимах. Адекватність моделі перевірено експериментально.

Вступ

Інтенсивний розвиток електроніки та мікропроцесорної техніки призводить до створення якісних регульованих електроприводів змінного струму для заміни електроприводів постійного струмута нерегульованого електроприводу змінного струму завдяки більшій надійності електродвигунів змінного струму в порівнянні з машинами постійного струму.

Регульовані електроприводи завойовують сфери застосування нерегульованих як для забезпечення технологічних характеристик, так і з метою енергозбереження. Причому перевага надається саме машинам змінного струму, асинхронним (АТ) та синхронним (СД), так як вони мають кращі масогабаритні показники, більш високу надійністьта термін служби, простіше в обслуговуванні та ремонті в порівнянні з колекторними машинамипостійного струму. Навіть у такій традиційно «колекторній» області, як електричний транспорт, машини постійного струму поступаються місцем частотно-регульованим двигунам змінного струму. Все більше місце в продукції електромашинобудівних заводів займають модифікації та спеціалізовані виконання електродвигунів.

Створити універсальний, що підходить для всіх випадків життя частотно-регульований двигун не можна. Оптимальним він може бути тільки для кожного конкретного поєднання закону та способу керування, діапазону регулювання частоти та характеру навантаження. Багатофазний асинхронний двигун (МАД) може бути альтернативою трифазним машинам живлення від перетворювача частоти.

Метою справжньої роботи є розробка математичної моделі для дослідження теплових полів багатофазних асинхронних двигунів як у встановлених, так і в аварійних режимах роботи, що супроводжуються відключенням (обривом) фаз (або однієї фази) для того, щоб показати можливість роботи асинхронних машину складі електроприводу, що регулюється, без застосування додаткових засобів охолодження.

Моделювання теплового поля

Особливості експлуатації електричних машин у регульованому електроприводі, а також високі вібрації та шум, накладаючи певні вимоги до конструкції, потребують інших підходів при проектуванні. Разом з тим особливості багатофазних двигунів роблять такі машини придатними для застосування в регульованих при-

Підвищення ККД енергозберігаючих електродвигунів досягається такими змінами в конструкції:

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

Електродвигуни асинхронні трифазні основного виконання енергоефективні (клас IE2) серій АІР, 7АVER

Двигуни загальнопромислового призначення призначені до роботи в режимі S1 від мережі змінного струму 50Гц, напругою 380V (220, 660V). Стандартний ступінь захисту – IP54, IP55, кліматичне виконання та категорія розміщення – У3, У2.
Клас енергоефективності - IE2 (відповідно до ГОСТ Р51677-2000 та міжнародного стандарту IEC 60034-30).

P, кВт	3000 об/хв		1500 об/хв		1000 об/хв		750 об/хв
P, кВт	марка ел/дв	маса, кг	марка ел/дв	маса, кг	марка ел/дв	маса, кг	марка ел/дв	маса, кг
0,06			АІР 50 А4	3,2
0,09	АІР 50 А2	3,1	АІР 50 В4	3,6
0,12	АІР 50 В2	3,4	АІР 56 А4	3,5
0,18	АІР 56 А2	3,6	АІР 56 В4	3,9	АІР 63 А6	6,0	АІР 71 А8	9,3
0,25	АІР 56 В2	3,9	АІР 63 А4	5,6	АІР 63 В6	7,0	АІР 71 В8	8,9
0,37	АІР 63 А2	5,6	АІР 63 В4	6,7	АІР 71 А6	8,1	АІР 80 А8	13,5
0,55	АІР 63 В2	6,7	АІР 71 А4	8,3	АІР 71 В6	9,7	АІР 80 В8	15,7
0,75	АІР 71 А2	8,6	АІР 71 В4	9,4	АІР 80 А6	12,5	АІР 90 LA8	19,5
1,10	АІР 71 В2	9,3	АІР 80 А4	12,8	АІР 80 В6	16,2	АІР 90 LВ8	22,3
1,50	АІР 80 А2	13,3	АІР 80 В4	14,7	АІР 90 L6	20,6	АІР 100 L8	28,0
2,20	АІР 80 В2	15,9	АІР 90 L4	19,7	АІР 100 L6	25,1	АІР 112 МА8	50,0
3,00	АІР 90 L2	20,6	АІР 100 S4	25,8	АІР 112 МА6	50,5	АІР 112 МВ8	54,5
4,00	АІР 100 S2	23,6	АІР 100 L4	26,1	АІР 112 МВ6	55,0	АІР 132 S8	62,0
5,50	АІР 100 L2	32,0	АІР 112 М4	56,5	АІР 132 S6	62,0	АІР 132 М8	72,5
7,50	АІР 112 М2	56,5	АІР 132 S4	63,0	АІР 132 M6	73,0	АІР 160 S8	120,0
11,00	АІР 132 М2	68,5	АІР 132 М4	74,5	АІР 160 S6	122,0	АІР 160 М8	145,0
15,00	АІР 160 S2	122,0	АІР 160 S4	127,0	АІР 160 М6	150,0	АІР 180 М8	180,0
18,50	АІР 160 М2	133,0	АІР 160 М4	140,0	АІР 180 М6	180,0	АІР 200 М8	210,0
22,00	АІР 180 S2	160,0	АІР 180 S4	170,0	АІР 200 М6	195,0	АІР 200 L8	225,0
30,00	АІР 180 М2	180,0	АІР 180 М4	190,0	АІР 200 L6	240,0	АІР 225 М8	316,0
37,00	АІР 200 М2	230,0	АІР 200 М4	230,0	АІР 225 М6	308,0	АІР 250 S8	430,0
45,00	АІР 200 L2	255,0	АІР 200 L4	260,0	АІР 250 S6	450,0	АІР 250 М8	560,0
55,00	АІР 225 М2	320,0	АІР 225 М4	325,0	АІР 250 М6	455,0	АІР 280 S8	555,0
75,00	АІР 250 S2	450,0	АІР 250 S4	450,0	АІР 280 S6	650,0	АІР 280 М8	670,0
90,00	АІР 250 М2	490,0	АІР 250 М4	495,0	АІР 280 М6	670,0	АІР 315 S8	965,0
110,00	АІР 280 S2	590,0	АІР 280 S4	520,0	АІР 315 S6	960,0	АІР 315 М8	1025,0
132,00	АІР 280 М2	620,0	АІР 280 М4	700,0	АІР 315 М6	1110,0	AІР 355 S8	1570,0
160,00	АІР 315 S2	970,0	АІР 315 S4	1110,0	АІР 355 S6	1560,0	АІР 355 M8	1700,0
200,00	АІР 315 М2	1110,0	АІР 315 М4	1150,0	АІР 355 M6	1780,0	АІР 355 MB8	1850,0
250,00	АІР 355 S2	1700,0	АІР 355 S4	1860,0	AІР 355 MB6	1940,0
315,00	АІР 355 М2	1820,0	АІР 355 М4	1920,0

Застосування енергоефективних двигунів дозволяє:

підвищити ККД двигунана 2-5%;
знизити споживання електроенергії;
збільшити термін життя двигуна та суміжного з ним обладнання;
підвищити коефіцієнт потужності;
покращити перевантажувальну здатність;
підвищити стійкість двигуна до теплових навантажень та змін умов експлуатації.

Габаритні, настановні та приєднувальні розміри енергоефективних двигунів відповідають габаритним, настановним та приєднувальним розмірамдвигунів основного виконання.

Енергоефективні електродвигуни EFF1/IE2 виробництва ЕНЕРАЛ

Енергоефективні електродвигуни EFF1 – трифазні асинхронні одношвидкісні електродвигуни з короткозамкненим ротором.
Енергоефективні електродвигуни - це електродвигуни загальнопромислового призначення, у яких сумарні втрати потужності не менше ніж на 20% менше сумарних втрат потужності двигунів з нормальним ККД тієї ж потужності та частоти обертання.

Основні характеристики:

Клас енергоефективності Eff 1 відповідає стандарту IE2
Технічні характеристики енергоефективних двигунів виробництва ЕНЕРАЛ представлені в таблиці:

Eff1	Потужність	ККД	cos	Номінальний струм, А	Кратність максимального моменту	Кратність струму при замкнутому роторі	Кратність моменту при замкнутому роторі	Швидкість обертання
АІР132М2	11	90,29	0,925	20,96	3,07	6,86	2,11	2905
АІР132М4	11	90,39	0,8495	20,87	2,51	6,74	2,26	1460
АІР160S2	15	91,3	0,89	28	2,3	8	2,2	2945
АІР160S4	15	91,8	0,86	28,9	2,3	7,5	2,2	1475
АІР160S6	11	90	0,79	23,5	2,1	6,9	2,1	980

Порівняння характеристик:

Асинхронні електродвигуни з короткозамкненим ротором становлять нині значну частину серед усіх електричних машин, понад 50% споживаної електроенергії посідає саме них. Майже неможливо знайти сферу, де б вони не використовувалися: електроприводи промислового обладнання, насоси, вентиляційна техніка та багато іншого. Причому і обсяг технологічного парку і потужності двигунів постійно зростають.

Енергоефективні двигуни ENERAL серії АІР…Е конструктивно виконані як трифазні асинхронні одношвидкісні двигуни з короткозамкненим ротором та відповідають ГОСТ Р51689-2000.

Енергоефективний двигун серії АІР ... Е має підвищений ККД за рахунок наступних системних поліпшень:

1. Збільшено масу активних матеріалів (мідної обмотки статора та холоднокатаної сталі в пакетах статора та ротора);
2. Застосовуються електротехнічні сталі з покращеними магнітними властивостями та зменшеними магнітними втратами;
3. Оптимізовано зубцово-пазову зону магнітопроводу та конструкцію обмоток;
4. Використана ізоляція з підвищеною теплопровідністю та електричною міцністю;
5. Зменшено повітряний зазор між ротором та статором за допомогою високотехнологічного обладнання;
6. Використано спеціальну конструкцію вентилятора для зниження вентиляційних втрат;
7. Застосовуються підшипники та мастила вищої якості.

Нові споживчі властивості енергоефективного двигуна серії АІР…Е базуються на конструктивних удосконаленнях, де особливе місце приділено захисту від несприятливих умов та підвищеної герметизації.

Так, конструктивні особливостісерії АІР ... Е дозволяють звести до мінімуму втрати в обмотках статора. Завдяки низькій температурі обмотки електродвигуна продовжується термін служби ізоляції.

Додатковий ефект дає зменшення тертя та вібрації, а значить і перегріву, за рахунок застосування високоякісного мастила та підшипників, у тому числі більш щільного підшипникового замку.

Ще один аспект, пов'язаний з нижчою температурою працюючого двигуна, це можливість експлуатації при вищій температурі навколишнього середовища або можливістю зниження витрат, пов'язаних із зовнішнім охолодженням працюючого двигуна. Це також призводить до зниження витрат на електроенергію.

Одне з важливих перевагнового енергоефективного двигуна – знижений рівень шуму. У електродвигунах класу IE2 використані менш потужні і тихі вентилятори, що також грає роль поліпшенні аеродинамічних властивостей і зниження вентиляційних втрат.

Мінімізація капітальних та експлуатаційних витрат є ключовими вимогами до промислових енергоефективних електродвигунів. Як показує практика, термін компенсації через різницю цін при придбанні досконаліших асинхронних електродвигунів класу IE2 становить до 6 місяців лише за рахунок зниження експлуатаційних витрат та споживання меншої кількості електроенергії.

Зниження витрат при заміні двигуна на енергоефективне:

АІР 132М6Е (IE2) Р2 = 7,5 кВт; ККД = 88,5%; Iн=16,3А; cosφ=0,78
АІР132М6 (IE1) Р2 = 7,5 кВт; ККД = 86,1%; Iн=17,0А; cosφ=0,77

Потужність: P1=Р2/ККД
Навантажувальна характеристика: 16 годин на день = 5840 годин на рік
Щорічна економія витрат на електроенергію: 1400 кВт/год

При переході на нові енергоефективні двигунивраховуються:

збільшені вимоги до екологічних аспектів;
вимоги до рівня енергоефективності та експлуатаційним характеристикампродукції;
клас енергоефективності IE2 поряд з можливостями економії діє як уніфікований знак якості для споживача;
фінансовий стимул: можливість знизити енергоспоживання та експлуатаційні витрати комплексні рішення: енергоефективний двигун + ефективна системакерування (регульований привід) + ефективна система захисту = найкращий результат.

Переваги:

Забезпечують зниження сумарних втрат потужності не менше ніж на 20% по відношенню до двигунів з нормальним ККД тієї ж потужності та частоти обертання;
- підвищений ККД у режимі часткового навантаження (на 1,8 – 2,4%);
- мають покращені експлуатаційні характеристики:

більш стійкі до коливань у мережі;
менше перегрів, менше енерговтрати;
працюють із зниженим рівнем шуму;
Підвищена надійність та збільшений термін служби;
За більш високої закупівельної вартості (на 15-20% порівняно зі стандартним), ЕЕД окупають додаткові витрати за рахунок зниження енергоспоживання вже за 500-600 годин експлуатації;
Зниження загальних експлуатаційних витрат.

Таким чином, енергоефективні двигуни – це двигуни підвищеної надійності для підприємств, орієнтованих на енергозберігаючі технології.

Показники енергоефективності електродвигунів АІР…Е виробництва ЕНЕРАЛ відповідають ГОСТ Р51677-2000 та міжнародному стандарту IEC 60034-30 за класом енергоефективності IE2.