Высокомоментные малошумные энергоэффективные асинхронные двигатели с совмещенными обмотками

Основные преимущества:

Примером таких двигателей могут послужить асинхронные электродвигатели (АД) серии АДЭМ. Их можно приобрести у завода-изготовителя УралЭлектро . Двигатели серии АДЭМ по установочно – присоединительным размерам полностью соответствует ГОСТ Р 51689. По классу энергоэффективности соответствуют IE 2 по IEC 60034-30.

Проведение модернизационных, ремонтных и сервисных работ на АД другой модификации позволяет довести их основные характеристики до уровня двигателей АДЭМ в области уменьшения потребления тока и увеличения наработки на отказ в 2-5 раза

По мнению международных экспертов, 90% существующего парка насосных агрегатов потребляют на 60% больше электроэнергии, чем это требуется для существующих систем. Несложно представить, какие объемы природных ресурсов можно сберечь, если учитывать, что доля насосов в общемировом потреблении электрической энергии составляет около 20%.

Европейским союзом разработан и принят к действию новый стандарт IEC 60034-30, согласно которому установлено три класса энергоэффективности (IE - Международная энергоэффективность) односкоростных трехфазных асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором:

IE1 – стандартный класс энергоэффективности - примерно эквивалентен классу энергоэффективности EFF2, применяемому сейчас в Европе;

IE2 – высокий класс энергоэффективности - примерно эквивалентен классу энергоэффективности EFF1,

IE3 – высший класс энергоэффективности - новый класс энергоэффективности для Европы.

По требованиям упомянутого стандарта изменения касаются практически всех двигателей в диапазоне мощностей от 0,75 кВт до 375 кВт. Внедрение нового стандарта в Европе будет проходить в три этапа:

С января 2011 года все двигатели должны соответствовать классу IE2.

С января 2015 года все двигатели мощностью от 7,5 до 375 кВт должны быть классом не ниже IE3; при этом допускается двигатель класса IE2, но только при работе с частотно-регулируемым приводом.

С января 2017 года все двигатели мощностью от 0,75 до 375 кВт должны быть классом не ниже IE3; при этом допускается двигатель класса IE2 и при работе с частотно-регулируемым приводом.

Все двигатели, изготовленные по стандарту IE3, при определенных условиях экономят до 60% электрической энергии. Технология, применяемая в новых электродвигателях, позволяет максимально уменьшить потери в обмотке статора, пластинах статора и ротора двигателя, связанные с вихревыми токами и отставанием фаз. Кроме того, в этих двигателях сведены к минимуму потери при прохождении тока через пазы и контактные кольца ротора, а также потери на трение в подшипниках.

Электропривод - главный потребитель электрической энергии.

Сегодня он потребляет более 40% от всей производимой электроэнергии, а в ЖКХ до 80%. В условиях дефицита энергетических ресурсов это делает особенно острой проблему энергосбережения в электроприводе и средствами электропривода.

Современное состояние исследований и разработок в области реализации проекта

В последние годы, в связи с появлением надёжных и приемлемых по цене преобразователей частоты, широкое распространение стали получать регулируемые асинхронные приводы. Хотя их цена и остаётся достаточно высокой (в два–три раза дороже двигателя), они позволяют в ряде случаев снизить потребление электроэнергии и улучшить характеристики двигателя, приблизив их к характеристикам двигателей постоянного тока. Надёжность частотных регуляторов также в разы ниже, чем электродвигателей. Не каждый потребитель имеет возможность вложить такие огромные деньги на установку частотных регуляторов. В Европе к 2012 году лишь 15% регулируемых электроприводов укомплектовано двигателями постоянного тока. Поэтому актуально рассматривать проблему энергосбережения главным образом применительно к асинхронному электроприводу, в том числе частотно-регулируемому, оснащённому специализированными двигателями с меньшей материалоёмкостью и себестоимостью.

В мировой практике сложилось два основных направления решения указанной проблемы:

Первый – энергосбережение средствами электропривода за счёт подачи конечному потребителю в каждый момент времени необходимой мощности.

Второй – производство энергоэффективных двигателей, удовлетворяющих стандарту IE-3.

В первом случае усилия направлены на снижение стоимости частотных преобразователей. Во втором случае – на разработку новых электротехнических материалов и оптимизацию основных размеров электрических машин.

Новизна предлагаемого подхода

Суть технологических решений

Форма поля в рабочем зазоре стандартного двигателя.

Форма поля в рабочем зазоре двигателя с совмещёнными обмотками.

Основные преимущества двигателя с совмещенными обмотками:

ведет к дополнительным потерям электроэнергии. По осторожной оценке эта величина достигает 15-20% от суммарного потребления электроэнергии двигательной нагрузки (особенно низковольтного электропривода ). При снижении объемов производства часть привода не отключается по технологическим «соображениям». В этот период привод работает с более низким коэффициентом использования номинальной мощности (или вообще работает в холостую ). Это естественно увеличивает потери в электроприводе. По представленным замерам и упрощенным расчетам установлено, что средняя загрузка электропривода не превышает значения 50-55% от номинальной мощности электропривода. Неоптимальная загрузка асинхронных двигателей (АД) приводит к тому, что фактические потери превышают нормируемые. Снижение тока непропорционально снижению мощности – из-за уменьшения коэффициента мощности. Этот эффект сопровождается неоправданными дополнительными потерями в распределительных сетях. Расчетная зависимость уровня потерь электроэнергии в двигателях от уровня их загрузки может быть отражена в виде графика (см. рисунок ниже ). Одна из характерных «ошибок» – использование в расчетах усредненного значения сos , что ведет к искажению фактической картины соотношения активной и реактивной энергии.

Расширив динамическую область высоких значений КПД и сos для асинхронного двигателя, можно значительно уменьшить потери потребляемой электроэнергии!

Обоснование проекта и применяемые решения

1. Обмотки

Более 100 лет изобретатели во всех промышленно развитых станах мира предпринимали безуспешные попытки изобрести такие электродвигатели, которые могли бы заменить двигатели постоянного тока более простыми, надежными и дешевыми как асинхронные.

Решение было найдено в России, но установить действительного изобретателя на сегодняшний день не представляется возможным.

Существует патент RU 2646515 (на 01.01.2013 не действует) с приоритетом от 22.07.1991 года авторов: Власова В. Г. и Морозова Н. М., патентообладатель: Научно-производственное объединение «Кузбассэлектромотор» - «Статорная обмотка двухполюсного трёхфазного асинхронного двигателя», который практически полностью соответствует последующим заявкам на патенты Н. В. Яловеги, преподавателя Московского института электронной техники, от 1995 года (по этим заявкам патенты не выданы). Получается, что первоначальная идея не принадлежит Н. В. Яловеге который везде представляется изобретателям – «российского параметрического двигателя Яловеги» (РПДЯ). Но существует патент США, выданный 29.06.1993 г. Яловеге Н.В., Яловеге С.Н. и Беланову К.А., на электродвигатель аналогичный патенту РФ 1991 года, но создать по названным патентам электродвигатель никому не удалось т.к. теоретическое описание не содержит информации об конкретном исполнении обмоток, а «авторы» не могут дать разъяснений т.к. не обладают «видением» применения изобретения.

Вышеописанная ситуация с патентами указывает на то, что «авторы» патентов не являются истинными изобретателями, а скорее всего «подсмотрели» его воплощение у какого-то практика - обмотчика асинхронных двигателей, но не сумели развить реальное применение эффекта.

Электродвигатель с 2×3 двухслойными обмотками, сдвинутыми относительно друг друга получил название асинхронный электродвигатель с совмещенными обмотками (АЭД СО). Свойства АЭД СО позволили создать на его основе целый ряд технологического оборудования, отвечающего самым жестким требованиям энергосберегающих технологий. Выполненные проекты АЭД СО охватили мощностной ряд от 0,25 кВт до 2000 кВт.

2. Компаунд

Для заливки обмоток двигателей применяется компаунд ИКМ на основе метилвинилсилоксановой резины с минеральными наполнителями наноразмерных величин.

ИКМ является перспективным энерго- и ресурсосберегающим материалом для использования в производстве электрических проводов и кабелей, резино-технических изделий самой широкой номенклатуры. Позволяет заменить провода зарубежного производства в диапазоне температур от -100 до +400. Позволяет снизить полезное сечение провода в 1,5-3 раза при равных токовых нагрузках. Для изготовления используется российские минеральное и органическое сырье.

Созданный на основе свободного от галогенов (фтор, хлор) кремнеорганического каучука, он, по сравнению с применяемыми для этих целей традиционными материалами, обладает рядом важных и полезных эксплуатационных свойств:

Провода с ИКМ, представленные на экспертизу, перекрывают нормативные температурные параметры изоляции (ГОСТ 26445-85, ГОСТ Р МЭК 60331-21 2003) и могут применяться в современном автотракторном, авиационном, судовом и другом электрооборудовании в диапазоне температур от -100°С до +400°С.

Механические свойства ИКМ позволяют использовать их как в статическом, так и в динамическом режимах работы электротехнических устройств, подверженных высокому температурному нагреву без воздействия открытого огня до температуры +400 °С, а при открытом огне до температуры +700 °С в течение 240-ка минут.

Скрутки проводов (кабель) выдерживают кратковременную 20-кратную токовую перегрузку (до 10-ти минут) без нарушения их изоляции, что значительно превышает ГОСТ электроснабжения для различной техники, например, автотракторной, авиационной, судовой и др.

При внешнем обдуве ИКМ температурные нагрузочные характеристик можно увеличивать (зависит от потока обдува).

При горении изоляции отравляющие вещества не выделяются. Запах от испарения внешней окраски ИКМ появляется при температуре плюс 160 - 200 С.

Имеет место экранирующие свойства изоляции проводников.

Воздействия дегазирующих, дезактивирующих и дезинфицирующих и других растворов на качество изоляции проводов не оказывают.

Представленные на испытания провода типа ИКМ соответствуют ГОСТ 26445-85, ГОСТ Р МЭК 60331-21-2003 "Кабели нагревостойкие с кремнийорганической изоляцией, провод переносной с резиновой изоляцией".

3. Подшипники

Для уменьшения коэффициента трения в подшипниках применяется антифрикционная минеральная смазка ЦЕТИЛ.

Особенности:

Гарантируется непрерывная защита от износа трущихся металлических деталей;

Гарантируется длительное постоянство характеристик;

Высокая экономичность и энергоэффективность;

Оптимизация работы всех механических компонентов;

Высокая чистота процесса за счет применения только минеральных компонентов;

Экологичность;

Постоянная очистка механики от нагара и грязи;

Вредные выбросы полностью отсутствуют.

Преимущества твердых смазок ЦЕТИЛ:

Действующая концентрация ЦЕТИЛа в маслах и смазках составляет 0,001 – 0,002 %.

ЦЕТИЛ остается на трущихся поверхностях даже после полного стекания масла (при сухом трении) и полностью исключает эффекты граничного трения.

ЦЕТИЛ является химически инертным веществом, не окисляется, не выгорает и сохраняет свои свойства неопределенно долгое время.

Работает при температурах до 1600 градусов.

Применение ЦЕТИЛа в несколько раз увеличивает сроки эксплуатации масел и смазок.

ЦЕТИЛ является нанокомплексом минеральных частиц – размер частиц исходного концентрата составляет 14-20 нм.

Аналогов с такими свойствами в мире нет.

Почти за 100 лет существования асинхронных двигателей в них совершенствовались применяемые материалы, конструкция отдельных узлов и деталей, технология изготовления; однако принципиальные конструкторские решения, предложенные русским изобретателем М. О. Доливо-Добровольским , в основном оставались неизменными до момента изобретения двигателей с совмещёнными обмотками.

Методические подходы в расчетах асинхронных двигателей

Традиционный подход к расчету асинхронного двигателя

В современных подходах к расчету асинхронных двигателей используется постулат об идентичности синусоидальной формы потока магнитного поля и его равномерности под всеми зубцами статора. Исходя из этого постулата, расчеты велись для одного зубца статора , а машинное моделирование проводилось исходя из выше указанных предположений. При этом не стыковки между расчетными и реальными моделями работы асинхронного двигателя компенсировались применением большого числа поправочных коэффициентов. При этом расчет проводился для номинального режима работы асинхронного двигателя.

Суть нашего нового подхода состоит в том, что при расчетах проводился повременной срез мгновенных значений магнитного потока для каждого зубца на фоне распределения поля всех зубцов. Пошаговый (повременной) и кадровый срез динамики значений магнитного поля для всех зубцов статора серийных асинхронных двигателей позволил установить следующее:

поле на зубцах имеет не синусоидальную форму;

поле поочередно отсутствует у части зубцов;

не синусоидальное по форме и имеющее разрывы в пространстве магнитное поле формирует такую же структуру тока в статоре.

В течении ряда лет были проведены многотысячные измерения и расчеты мгновенных значений магнитного поля в пространстве асинхронных двигателей различных серий. Это позволило отработать новую методологию расчета магнитного поля и наметить эффективные пути по улучшению основных параметров асинхронных двигателей.

Для улучшения характеристик магнитного поля был предложен очевидный способ - совмещение двух схем «звезды» и «треугольника» в одной обмотке.

Этот метод применялся и раньше целым рядом ученых и талантливых инженеров, обмотчиками электрических машин, но они шли эмпирическим путем.

Применение совмещенных обмоток в сочетании с новым пониманием теории протекания электромагнитных процессов в асинхронных двигателях дал ошеломляющий эффект!!!

Экономия электроэнергии, при той же полезной работе, достигает 30-50%, на 30-50% снижается пусковой ток. Повышаются максимальный и пусковой момент, КПД имеет высокое значение в широком диапазоне нагрузок, повышается cos , облегчается работа двигателя при пониженном напряжении.

Массовое внедрение асинхронных двигателей с совмещенными обмотками понизит потребление электроэнергии более чем на 30% и позволит улучшить экологическую обстановку.

В январе 2012 года завод «УралЭлектро» приступил к серийному производства асинхронных двигателей с совмещёнными обмотками общепромышленного исполнения серии АДЭМ.

В настоящее время ведутся работы по созданию тяговых приводов на основе двигателей с совмещёнными обмотками для электротранспорта.

31 января 2012 года электромобиль с таким приводом совершил первую поездку. Испытатели по достоинству оценили преимущества привода по сравнению со стандартными асинхронными и серийными.

Целевые рынки в РФ

Таблица применения асинхронных электродвигателей с совмещенными обмотками (ЭДСО) или модернизации обычных асинхронных электродвигателей до уровня АДСО для пассажирского транспорта, электротранспорта, ЖКХ, электроинструмента и отдельных видов промышленного оборудования

Выводы

Проект асинхроные электродвигатели с совмещенными обмотками (АДСО) имеет обширные рынки в РФ и за рубежом в соответствии с IEC 60034-30.

Для доминирования на рынке асинхронных двигателей с совмещенными обмотками требуется строительство завода с годовой программой - 2 млн. двигателей и 500 тыс. шт. преобразователей частоты (ПЧ) в год.

Номенклатура продукции завода, тыс. шт..

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

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.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Ежегодная экономия расходов на электроэнергию: 1400 кВт/час

При переходе на новые энергоэффективные двигатели учитываются:

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

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

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

Энергосберегающие двигатели серии 7А (7AVE): 7AVER 160S2, 7AVER 160М2, 7AVEC 160MA2, 7AVEC 160МB2, 7AVEC 160L2, 7AVER 160S4, 7AVER 160M4, 7AVEC 160М4, 7AVEC 160L4, 7AVER 160S6, 7AVER 160M6, 7AVEC 160М6, 7AVEC 160L6, 7AVER 160S8, 7AVER 160M8, 7AVEC 160МA8, 7AVEC 160МB8, 7AVEC 160L8

Мировое научно техническое сообщество уделяет вопросам энергосбережения и, следовательно, повышению энергоэффективности оборудования исключительное значение.

Такое внимание обусловлено двумя критическими факторами:
• 1. Повышение энергоэффективности позволяет замедлить процесс невосполнимого уменьшения медленно возобновляемых энергетических ресурсов, запасов которых осталось всего на несколько поколений;
• 2. Повышение энергоэффективности напрямую ведет к улучшению экологической обстановки.

Асинхронные двигатели — основные потребители энергии в промышленности, сельском хозяйстве, строительстве, ЖКХ. На их долю приходится около 60% всех энергозатрат в названных отраслях.

Такая структура энергопотребления существует во всех промышленно развитых странах, в связи с чем, они активно переходят на эксплуатацию электродвигателей повышенной энергоэффективности, использование таких двигателей становится обязательным.

Серия 7AVE создана с применением российского стандарта ГОСТ Р 51689-2000, вариант I, и европейского стандарта CENELEC, IEC 60072-1, что позволит устанавливать новые энергосберегающие электродвигатели как на отечественное оборудование, так и на импортное, где в настоящее время используются двигатели иностранного производства.

Серия 7АVE предусматривает повышение КПД от 1,1% (старшие габариты) до 5% (младшие габариты) и охватывает самый востребованный диапазон мощностей от 1,5 до 500 кВт.

Создание энергоэффективных двигателей серии 7АVE гармонизируется и с таким важнейшим направлением в деле энергосбережения, как разработка двигателей для частотно-регулируемого привода, поскольку энергоэффективный двигатель обладает лучшими регулировочными свойствами, в частности, большим запасом по максимальному моменту. Здесь действует простое правило: чем больше класс энергоэффективности общепромышленного двигателя, тем шире его зона применения в частотно-регулируемом приводе.

Особенности конструкции двигателей серии 7АVE:
• Магнитная система.
  Увеличена эффективность использования магнитных материалов, жесткость системы.
• Обмотка нового вида.
  Используется статорообмоточное оборудование нового поколения.
• Пропитка.
  Новое оборудование и пропиточные лаки обеспечили высокую цементацию обмотки и высокую теплопроводность.

Технологические преимущества двигателей классов энергоэффективности IE2 и IE3:
• Двигатели новой серии обладают низкими шумовыми характеристиками (на 3-7 дБ ниже, чем у двигателей предыдущей серии), т.е. более эргономичны. Снижение уровня шума на 10 дБ означает снижение его фактического значения в 3 раза.
• Двигатели 7AVE обладают более высокими показателями надежности за счет снижения рабочих температур. Данные двигатели изготавливаются с классом нагревостойкости «F», при фактических температурах, соответствующих более низкому классу изоляции «B». Это позволяет работать машинам с повышенным значением сервис фактора, т.е. обеспечить надежную работу при длительных перегрузках на 10-15%.
• Двигатели имеют сниженные значения нарастания температуры при заторможенном роторе, что позволяет обеспечить надежную работу в системе привода механизмов с частыми и тяжелыми пусками и реверсом.

Двигатели серии 7AVE (IE2, IE3) адаптированы к работе в составе частотно-регулируемого электропривода. За счет высокого сервис фактора двигатели могут работать в составе ЧРП без принудительной вентиляции.

Внедрение энергоэффективных двигателей обеспечивает:
• 1. Экономию потребления электроэнергии за счет более высоких КПД двигателей;
• 2. Экономию за счет снижения установленной мощности, необходимой для работы оборудования с энергоэффективным приводом.

Выпускает энергоэффективные двигатели серии 7АVE Владимирский электромоторный завод (ОАО «ВЭМЗ»).