Энергосберегающие асинхронные двигатели. Международные стандарты энергоэффективности электродвигателей. Сущность предлагаемой разработки

По всем миру сегодня шагает экономический кризис. Одной из его причин является кризис энергетический. Поэтому сегодня очень остро встает вопрос энергосбережения. Особенно эта тема актуальна для России и Украины, где затраты электроэнергии на единицу продукции в 5 раз выше, чем в развитых европейских странах. Уменьшение потребления электроэнергии предприятиями топливно-энергетического комплекса Украины и России основная задача науки, электротехнической и электронной промышленности этих стран. Более 60% используемой электроэнергии на предприятиях приходится на электропривод. Если учесть, что КПД его составляет не более 69%, то только используя энергосберегающие двигатели можно экономить более 120 ГВт/ч электроэнергии в год, что составит более 240 млн. рублей со 100 тыс. электродвигателей. Если добавит сюда еще экономию уменьшения установленной мощности, то получим более 10 млрд. рублей.

Если пересчитать эти цифры в экономию топлива то экономия получается 360-430 млн. тонн условного топлива в год. Такая цифра соответствует 30% всей внутренней потребленной энергии в стране. Если же добавить сюда экономию электроэнергии за счет применения частотно-регулируемого привода, то это число вырастает до 40%. В России уже подписан приказ о снижение энергоемкости к 2020 году на 40 %.

С сентября 2008 г в Европе был принят стандарт IEC 60034-30, где все двигатели делятся на 4 класса энергоэффективности:

• стандартный (ie1);
• высокий (ie2);
• высший, PREMIUM (ie3);
• сверхвысокий, Supper-Premium (ie4).

Сегодня все крупные европейские производители приступили к выпуску энергоэффективных двигателей. Более того, все американские производители заменяют двигатели «высокой» энергоэффективности, на двигатели «высшей», PREMIUM энергоэффективности.

• Разработкой энергоэффективных серии двигателей общего применения занимаются и в наших странах. Перед производителями стоит три задачи повышения энергоэффективности;
• Разработка и освоение новых энергоэффективнных моделей низковольтных асинхронных двигателей, соответствующих мировому уровню развития электротехнической и машиностроительной отраслей для применения на внутреннем и международном рынках;
• Увеличение значений КПД вновь созданных энергоэффективных двигателей согласно стандарту энергоэффективности IEC 60034-30, при том, что увеличение расхода материала, применяемого в двигателях класса ie2 не более 10 процентов;
• Должна быть достигнута экономия активных материалов, соответствующая сбережению 10 кВт мощности на 1 кг обмоточной меди. В результате использования энергоэффективных моделей электродвигателей, уменьшается количество штамповой оснастки на 10-15 %;

Освоение и внедрение электродвигателей высокой эффективности устраняет проблему необходимости увеличения установленной мощности электрооборудования и снижения выбросов вредных веществ в атмосферу. Кроме того снижение величины шума и вибрации, увеличение надежности всего электропривода является неоспоримым аргументом в пользу применения энергоэффективных асинхронных электродвигателей;

Описание энергоэффективных асинхронных двигателей серии 7А

Асинхронные короткозамкнутые двигатели серии 7А (7AVE) относятся к трехфазным асинхронным электродвигателям, общепромышленной серии с короткозамкнутым ротором. Эти двигатели уже адаптированы для использования в схемах частотно-регулируемого электропривода. Они имеют КПД на 2-4% выше чем у аналогов, произведенных в России (EFFI). Выпускаются со стандартным рядом оси вращения: от 80 до 355 мм, рассчитаны на мощности от 1 до 500 кВт. Промышленность освоила двигатели со стандартной частотой вращения: 1000, 1500, 3000 об/мин и напряжения: 220/380, 380/660. Двигатели выполнены со степенью защиты соответствующей IP54 и изоляцие класса F. Допустимый перегрев соответствует классу B.

Преимущества применения асинхронных двигателей серии 7А

К преимуществам применения асинхронных двигателей серии 7А относится их высокая экономичность. Экономия электроэнергии при установленной мощности P уст.= 10 000 кВт на экономии энергии можно экономить до 700 тыс.дол/год. Другим преимуществом таких двигателей является их высокая надежность и срок службы, кроме того, у них ниже уровень шума примерно в 2-3 раза по отношению к двигателям предыдущих серий. Они позволяют производить большее число включений-выключений и более ремонтопригодные. Двигатели могут работать при колебаниях сети до 10 % по напряжению.

Особенности конструкции

В электродвигателях серии 7А используется обмотка нового вида, которую можно намотать на обмоточном оборудовании старого поколения. При изготовлении двигателей этой серии применяются новые пропиточные лаки, обеспечивающие более высокую цементацию и высокую теплопроводность. Значительно повышена эффективность использования магнитных материалов. В течение 2009 г. освоены габариты 160 и 180, а в течение 2010-2011 гг. были освоены габариты 280, 132, 200, 225, 250, 112, 315, 355 мм.

Уже около пяти лет «НПО „Санкт-Петербургская электротехническая компания“ (СПБЭК) настойчиво собирает по предприятиям, институтам, научным центрам бывшего Союза внедренные рацпредложения, инновации, разработки.

Еще одна новация, применимая в российских реалиях связана с именем Дмитрия Александровича Дуюнова, занимающегося проблемой повышения энергоэффективности асинхронных двигателей:

"В России на долю асинхронных двигателей, по разным оценкам, приходится от 47 до 53% потребления всей вырабатываемой электроэнергии. В промышленности в среднем 60%, в системах холодного водоснабжения до 80%. Они осуществляют практически все технологические процессы, связанные с движением и охватывают все сферы жизнедеятельности человека. В каждой квартире находится асинхронных двигателей больше, чем жильцов. Ранее, поскольку задачи экономии энергоресурсов не было, при проектировании оборудования стремились „подстраховаться“, и использовали двигатели с мощностью, превышающей расчетную. Экономия электроэнергии в проектировании отходила на второй план, и такое понятие как энергоэффективность не было столь актуальным. Промышленность России энергоэффективные двигатели не проектировала и не выпускала. Переход к рыночной экономике резко изменил ситуацию. Сегодня сэкономить единицу энергетических ресурсов, например 1 т топлива в условном исчислении, вдвое дешевле, чем её добыть.

Энергоэффективные двигатели (ЭД) — это асинхронные ЭД с короткозамкнутым ротором, в которых за счет увеличения массы активных материалов, их качества, а также за счет специальных приемов проектирования удалось поднять на 1-2% (мощные двигатели) или на 4-5% (небольшие двигатели) номинальный КПД при некотором увеличении цены двигателя. Этот подход может приносить пользу, если нагрузка меняется мало, регулирование скорости не требуется и двигатель правильно выбран. С появлением двигателей с совмещенными обмотками „Славянка“ имеется возможность существенно улучшить их параметры без увеличения их цены. За счет улучшенной механической характеристики и более высоких энергетических показателей, стало возможным не только экономить от 30 до 50% потребления энергии при той же полезной работе, но и создавать регулируемый привод с уникальными характеристиками, не имеющий аналогов в мире.

В отличие от стандартных, ЭД с совмещенными обмотками обладают более высокой кратностью моментов, имеют КПД и коэффициент мощности близкий к номинальному в широком диапазоне нагрузок. Это позволяет повысить среднюю нагрузку на двигатель до 0,8 и повысить эксплуатационные характеристики обслуживаемого приводом оборудования.

По сравнению с известными методами повышения энергоэффективности асинхронного привода, новизна предлагаемого нами подхода заключается в изменении основополагающего принципа конструкции классических обмоток двигателя. Научная новизна заключается в том, что сформулированы новые принципы конструирования обмоток двигателей, а также выбора оптимальных соотношений чисел пазов ротора и статора. На их основе разработаны промышленные конструкции и схемы однослойных и двухслойных совмещенных обмоток, как для ручной, так и для автоматической укладки обмоток на стандартном оборудовании. На технические решения получен ряд патентов РФ.

Сущность разработки вытекает из того, что в зависимости от схемы подключения трёхфазной нагрузки к трёхфазной сети (звезда или треугольник) можно получить две системы токов, образующий между векторами угол в 30 электрических градусов. Соответственно, к трёхфазной сети можно подключить электродвигатель, имеющий не трёхфазную обмотку, а шестифазную. При этом часть обмотки должна быть включена в звезду, а часть в треугольник и результирующие вектора полюсов одноименных фаз звезды и треугольника должны образовывать между собой угол в 30 электрических градусов. Совмещение двух схем в одной обмотке позволяет улучшить форму поля в рабочем зазоре двигателя и как следствие существенно улучшить основные характеристики двигателя.

По сравнению с известными, частотно-регулируемый привод может быть выполнен на базе новых двигателей с совмещенными обмотками с повышенной частотой питающего напряжения. Это достигается за счёт меньших потерь в стали магнитопровода двигателя. В результате себестоимость такого привода получается существенно ниже, чем при использовании стандартных двигателей, в частности, значительно снижаются шумность и вибрации».

Энергосберегающие двигатели

Умные решения по экономии электроэнергии

Энергосберегающие двигатели Сименс выпускаются с классами эффективности „EFF1“ и „EFF2“ по CEMEP

• Число полюсов 2 и 4
• Диапазон мощностей 1.1...90 кВт
• 50 Гц версия по IEC 34-2
• EFF1 (Высокоэффективные двигатели)
• EFF2 (Двигатели с улучшенной эффективностью)

Для уменьшения выброса CO 2 , производители двигателей обязались проводить маркировку двигателей по классам эффективности.

EPACT – двигатели для американского рынка

Всесторонняя линия двигателей по EPACT с IEC размерами

• Число полюсов: 2,4 и 6
• Диапазон мощностей: от 1 HP до 200 HP (0.75 кВт до 150 кВт)
• 60 Гц версии в IEEE 112b

В соотвествии с актом от октября 97 по EPACT, кпд двигателей, ввезенных напрямую или другими путями в США, должны удовлетворять минимальным значениям.

Преимущества для покупателя и окружающей среды

Энергосберегающие двигатели с оптимальным кпд, потребляют меньше энергии при одной и той же выходной мощности. Увеличение в производительности достигнуто с помощью более высоко качества железа (чугун, медь и алюминий) и технического усовершенствования каждой детали. Потери энергии снижены на 45%. Покупатель получает огромную экономию средств, благодаря минимизации эксплуатационных расходов.

При использовании энергосберегающих двигателей снижается вред, наносимый окружающей среде. Возможность энергосбережения составляет до 20 ТВт в год, что эквивалентно мощности 8 тепловых электростанций и выбросам в атмосферу 11 миллионов тонн углекислого газа.

На предприятиях должны планомерно проводиться работы по модернизации и замене морально устаревшего оборудования, в частности, по замене неэкономичных электродвигателей на электродвигатели новых серий, отвечающих современным требованиям энергоэффективности.

Для принятия решения о замене оборудования необходимо провести обследование технического состояния электродвигателей механизмов, проанализировать режимы работы, реальные загрузки и условия эксплуатации электродвигателей, а также разработать рекомендации по совершенствованию методов их эксплуатации и повышению эксплуатационной надежности.

Необходимо также оценить возможность и целесообразность применения регулируемых электроприводов для конкретных механизмов.

Желательно принять участие в приемке на заводе-изготовителе новых электродвигателей (согласно разработанному проекту), а также провести экспериментальное исследование их характеристик на месте установки.

Задача выбора электродвигателя (постоянного тока, асинхронного, синхронного) при работе с длительной постоянной нагрузкой относительно проста - рекомендуется применять синхронные двигатели. Это объясняется тем, что современный синхронный двигатель пускается в ход также быстро, как и асинхронный, а его габариты меньше и работа экономичнее, чем асинхронного двигателя той же мощности (у синхронного двигателя больше максимальный момент Mmax на валу и выше коэффициент мощности cosφ ).

При этом у асинхронных двигателей последнего поколения с помощью специальных устройств управления можно достаточно эффективно регулировать скорость вращения, осуществлять реверс с необходимым моментом для работы электропривода.

При выборе вида двигателя привода, который должен работать в условиях регулируемой частоты вращения реверса, больших изменений нагрузки, частых пусков, необходимо сопоставить условия работы электропривода с особенностями механических характеристик различных видов электродвигателей.

Наиболее надежным, экономичным и простым в эксплуатации при частых пусках и непостоянной нагрузке является асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором. Если невозможно применить коротко-замкнутый асинхронный двигатель, например, при больших мощностях, устанавливается асинхронный двигатель с фазным ротором.

Из-за наличия коллекторно-щеточного узла двигатель постоянного тока сложнее по конструкции и выше по стоимости, чем двигатель переменного тока, требует более тщательного ухода в эксплуатации и изнашивается быстрее. Однако, иногда, предпочтение отдается двигателю постоянного тока, который позволяет простыми средствами изменить частоту вращения электропривода в широком диапазоне.

Тип двигателя (его конструкцию) выбирают в зависимости от условий окружающей среды. При наличии взрывоопасной атмосферы необходимо обеспечить ее защиту от возможных искрообразований в двигателе. Непосредственно сами двигатели должны быть защищены от попадания в них пыли, влаги, химических веществ из окружающей среды.

Очень часто возникает необходимость в регулировании скорости вращения ротора двигателя.

Существует два надежных метода (но существенно несовершенных) для регулирования частоты вращения двигателя.

• переключение числа пар полюсов обмотки статора;
• включение резисторов в цепи якорных обмоток ротора.

Первый метод обеспечивает лишь дискретное (ступенчатое) регулирование и практически применяется, в основном, для маломощных приводов, а второй рационален лишь при узких пределах регулирования при постоянстве момента на валу двигателя.

Благодаря появлению в последнее время мощных полупроводниковых приборов положение в этой области существенно изменилось. Современные электронные преобразователи позволяют изменять частоту переменного тока в широком диапазоне, что дает возможность плавно регулировать скорость вращающегося магнитного поля, а, следовательно, эффективно регулировать частоту вращения синхронного и асинхронного двигателей.

Электродвигатель с оптимально выбранной мощностью для привода должен обеспечивать:

• надежность в работе;
• экономичность в эксплуатации;
• возможность работоспособного состояния в различных условиях.

Установка электродвигателя меньшей мощности, чем это необходимо по условиям работы привода, снижает производительность электропривода и делает его работу ненадежной. При этом сам электродвигатель в подобных условиях может быть поврежден.

Установка двигателя завышенной мощности вызывает излишние потери энергии при работе электрической машины, обуславливает дополнительные капитальные вложения, увеличение массы и габаритов двигателя.

Двигатель должен нормально работать при возможных временных перегрузках и развивать пусковой момент на валу тот, который требуется для нормального функционирования исполнительного механизма. Во время работы двигатель не должен нагреваться до предельно допустимой температуры , в крайнем случае, на очень непродолжительное время. Поэтому в большинстве случаев мощность двигателя выбирается на основании условий нагревания до предельно допустимой температуры (так называемый выбор мощности по нагреву).

Затем осуществляется проверка соответствия перегрузочной способности двигателя условиям пуска машины и временным перегрузкам. Иногда, при большой кратковременной перегрузке, приходится выбирать двигатель, исходя из требуемой максимальной мощности. В подобных условиях максимальная мощность двигателя длительное время, как правило, не используется.

Для привода с продолжительным режимом работы при постоянной или незначительно меняющейся нагрузке мощность двигателя должна быть равна мощности нагрузки, а проверки на перегрев и перегрузку во время работы электропривода не нужны (это объясняется изначально определенными условиями работы электродвигателя). Однако необходимо проверить, достаточен ли пусковой момент на валу двигателя для пусковых условий данной электрической машины.

Статьи на данную тему:

Для того чтобы добавить описание энергосберегающей технологии в Каталог, заполните опросник и вышлите его на c пометкой «в Каталог» .

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.