Замена устаревших электродвигателей на современные энергоэффективные. Асинхронный двигатель с совмещенными обмотками Повышение энергоэффективности и энергосбережения синхронных двигателей

Экскурс в историю. Зарождение проблемы энергосбережения

Проблема сбережения энергетических ресурсов планеты была обозначена еще во второй половине XX века. Так в 70-х годах прошлого столетия во всем мире разразился энергетический кризис. Цены на нефть с 1972 по 1981 годы возрасли в 14,5 раз. И хотя большинство сложных моментов того времени были преодолены, проблема сбережения мирового топливно-энергетического комплекса получила статус глобальной особо значимой проблемы, и с каждым годом этому вопросу уделяется все больше и больше внимания.

Энергосбережение сегодня

За счет технологического развития, во всем мире значится быстрый рост потребления энергии. Чтобы ресурсов планеты хватило человечеству в будущем, люди ищут различные пути и решения: используются альтернативные природные источники энергии (ветер, вода, солнечные батареи), были изобретены экологичные технологии получения энергии путем переработки мусора и различных бытовых отходов, технологическое оборудование из года в год модернизируется с целью уменьшения потребляемой этим оборудованием энергии.

Энергоэффективность оборудования, в частном порядке касается каждого из нас. Ведь, от нее напрямую зависит сумма в ежемесячном счете за элетроэнергию. В Европе электроэнергия значительно дороже чем в России, поэтому каждый европеец пытается подбирать технологичное оборудование, потребялющее как можно меньше энергии. У нас же об этом задумывается гораздо меньшее количество людей, но и в нашей стране использвание энергосберегающих технологий способно благополучно сказаться на «толщине вашего кошелька». Оплачивая ежемесечные счета за электроэнергию мы не задумываемся, что годовые эксплутационные затраты – это внушительная сумма, которой могла бы быть потрачена на другие цели.

Энергоэффективность в вентиляции

Основной источник потребления электроэнергии в вентиляционных установка, как не трудно догадаться, является вентилятор, а конкретнее электродвигатель (или мотор), благодаря которому вращается крыльчатка вентилятора.

Класс энергоэффективности IE

Европейские стандарты электродвигалей DIN основаны на стандарте классификации энергоэффективности оборудования IEC (Международная электротехническая комиссия).

Согласно международным стандартам на сегодняшний день разработы четыре класса энергоэффективности двигателей IE1, IE2, IE3 и IE4. IE означает «International Energy Efficiency Class» - международный класс энергоэффективности

IE1 стандартный класс энергоэффективности.
IE2 высокий класс энергоэффективност.
IE3 сверхвысокий класс энергоэффективности.
IE4 максимально высокий класс энергоэффективности.

Ниже преведены кривые зависимости КПД двигателя, соответствующего класса энергетической эффективности, от номинальной мощности.

Начиная с 1 января 2017 года все европейские производители двигателей, согласно принятой директиве, будут производить электродвигатели класса энергоэффективности не ниже IE3

Выбор энергоэффективности двигателей при подборе установок в программе QC Ventilazione

ТМ QuattroClima предлагает вентиляционные установки с асинхронными двигателями класса IE2 и IE3, также EC-моторами премиум-класса IE4.

Выбор типа вентилятора осуществляется нажатием левой кнопки мыши на вкладку «Вентилятор».

Радиальный вентилятор с прямой передачей – асинхронный двигатель (стандартно IE2).

Радиальный вентилятор c прямой передачей и двигателем EC соответствует классу IE4.

Выбрать нужный класс энергоэффективности асинхронного двигателя можно здесь же, чуть ниже.

От теории к практике

Для наглядности, рассмотрим пример. Рассчитаем стандартную приточную установку расходом 20 000 м3/ч и свободным напором 500 Па в трех вариантах:

1) С асинхронным двигателем класса IE2

2) С асинхронным двигателем класса IE3

3) C EC-двигателем класса IE4

А затем сравним полученные результаты.

Установка с асинхронным двигателем класса IE2

Установка с асинхронным двигателем класса IE3

Установка с EC-двигателем класса IE4

В этом случае, программой подобралась секция из двух EC-вентиляторов.

Теперь сравним полученные результаты.

Техническая характеристика	Асинхронный двигатель Класс энергоэффективности IE2	Асинхронный двигатель Класс энергоэффективности IE3	EC-двигатель Класс энергоэффективности IE4
КПД вентилятора, %
Номинальная мощность, кВт
Потребляемая мощность, кВт

Потребляемая мощность двигателя класса IE3 меньше аналогичного двигателя класса IE2 на 0,18 КВт. А разница мозностей двух EC-моторов и двигателя IE2 составляет уже 1,16 кВт.

В случае аналогичных расчетов для приточно-вытяжных вентиляционных большерасходных вентиляционных агрегатов разница потреблемых мощностей двигателей IE2 и IE3 может достигать 25-30 %. А если на объекте, используется десятки установок, то энергопотребление вентиляци можно снизить на порядок и, благодаря этому, сэкономить сотни тысяч, а то и миллионы рублей.

В следующих статьях мы расскажем о других способах уменьшения потребляемой электродвигателями мощности при подборе вентиляционных установок в программе QC Ventilazione. Ранее мы рассказывали о повышении энергетической эффективности малорасходных вентиляционных агрегатов с роторными рекуператорами. Прочитать статью можно .

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.

Электродвигатели асинхронные трехфазные основного исполнения энергоэффективные (класс IE2) серий АИР, 7АVER

Двигатели общепромышленного назначения предназначены для работы в режиме S1 от сети переменного тока 50Гц, напряжением 380V (220, 660V). Стандартная степень защиты - IP54, IP55, климатическое исполнение и категория размещения - У3, У2.
Класс энергоэффективности - IE2 (в соответствии с ГОСТ Р51677-2000 и международным стандартом IEC 60034-30).

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

Применение энергоэффективных двигателей позволяет:

повысить КПД двигателя на 2-5%;
снизить потребление электроэнергии;
увеличить срок жизни двигателя и смежного с ним оборудования;
повысить коэффициент мощности;
улучшить перегрузочную способность;
повысить устойчивость двигателя к тепловым нагрузкам и к изменениям условий эксплуатации.

Габаритные, установочные и присоединительные размеры энергоэффективных двигателей соответствуют габаритным, установочным и присоединительным размерам двигателей основного исполнения.

Энергоэффективные электродвигатели EFF1/IE2 производства ЭНЕРАЛ

Энергоэффективные электродвигатели EFF1 - трехфазные асинхронные односкоростные электродвигатели с короткозамкнутым ротором.
Энергоэффективные электродвигатели - это электродвигатели общепромышленного назначения, у которых суммарные потери мощности не менее, чем на 20% меньше суммарных потерь мощности двигателей с нормальным КПД той же мощности и частоты вращения.

Основные характеристики:

Класс энергоэффективности Eff 1 отвечает стандарту IE2
Технические характеристики энергоэффективных двигателей производства ЭНЕРАЛ представлены в таблице:

Eff1	Мощность	КПД	cos	Номинальный ток, А	Кратность максимального момента	Кратность тока при замкнутом роторе	Кратность момента при замкнутом роторе	Скорость вращения
АИР132М2	11	90,29	0,925	20,96	3,07	6,86	2,11	2905
АИР132М4	11	90,39	0,8495	20,87	2,51	6,74	2,26	1460
АИР160S2	15	91,3	0,89	28	2,3	8	2,2	2945
АИР160S4	15	91,8	0,86	28,9	2,3	7,5	2,2	1475
АИР160S6	11	90	0,79	23,5	2,1	6,9	2,1	980

Сравнение характеристик:

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

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.

Снижение расходов при замене двигателя на энергоэффективный:

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.

Преимущества:

Обеспечивают снижение суммарных потерь мощности не менее чем на 20% по отношению к двигателям с нормальным КПД той же мощности и частоты вращения;
- Повышенный КПД в режиме частичной нагрузки (на 1,8 - 2,4%);
- Имеют улучшенные эксплуатационные характеристики:

более устойчивы к колебаниям в сети;
меньше перегрев, меньше энергопотери;
работают с пониженным уровнем шума;
Повышенная надежность и увеличенный срок службы;
При более высокой закупочной стоимости (на 15-20% по сравнению со стандартным), ЭЭД окупают доп.затраты за счет снижения энергопотребления уже за 500-600 часов эксплуатации;
Снижение общих эксплуатационных расходов.

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

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.

Номер в формате pdf (4221 kБ)

Д.А. Дуюнов , руководитель проекта, ООО «АС и ПП», г. Москва, Зеленоград

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 90%. Они осуществляют практически все технологические процессы, связанные с движением, и охватывают все сферы жизнедеятельности человека. С появлением новых, так называемых двигателей с совмещенными обмотками (ДСО) имеется возможность существенно улучшить их параметры без увеличения цены.

На каждую квартиру современного жилого дома приходится асинхронных двигателей больше, чем в ней жильцов. Ранее, поскольку задачи экономии энергоресурсов не было, при проектировании оборудования стремились «подстраховаться», и использовали двигатели с мощностью, превышающей расчетную. Экономия электроэнергии в проектировании отходила на второй план, и такое понятие как энергоэффективность не было столь актуальным. Энергоэффективные двигатели - это, скорее, чисто западное явление. Промышленность России такие 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 ее добыть.

Энергоэффективные двигатели (ЭД), представленные на внешнем рынке, - это асинхронные ЭД с короткозамкнутым ротором, в которых за счет увеличения массы активных материалов, их качества, а также за счет специальных приемов проектирования удается 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 параметры двигателя правильно выбраны.

Используя двигатели с совмещенными обмотками (ДСО), 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 энергосберегающий привод с уникальными характеристиками, не имеющий аналогов в мире. Наибольший эффект достигается при использовании ДСО в установках с переменным характером нагрузки. Исходя из того, что в настоящее время мировой объем производства асинхронных двигателей различной мощности достиг семи миллиардов штук в год, эффект от внедрения новых двигателей трудно переоценить.

Известно, что средняя загрузка электродвигателя (отношение мощности, потребляемой рабочим органом машины, к номинальной мощности электродвигателя) в отечественной промышленности составляет 0,3-0,4 (в европейской практике эта величина составляет 0,6). Это значит, что обычный двигатель работает с КПД значительно ниже номинального. Завышенная мощность двигателя часто приводит к незаметным на первый взгляд, но очень существенным отрицательным последствиям в обслуживаемом электроприводом оборудовании, например, к излишнему напору в гидравлических сетях, связанному с ростом потерь, снижению надежности и т.п. В отличие от стандартных, ДСО обладают низким уровнем шумов и вибраций, более высокой кратностью моментов, имеют КПД и коэффициент мощности близкий к номинальному в широком диапазоне нагрузок. Это позволяет поднять среднюю нагрузку на двигатель до 0,8 и повысить характеристики обслуживаемого приводом технологического оборудования, в частности, существенно понизить его энергопотребление.

Экономия, окупаемость, прибыль

Вышеуказанное касается энергосбережения в приводе и призвано сократить потери на преобразование электрической энергии в механическую и повысить энергетические показатели привода. ДСО при широкомасштабном внедрении дают широкие возможности по энергосбережению вплоть до создания новых энергосберегающих технологий.

По данным сайта федеральной службы государственной статистики (http://www.gks.ru/
wps/wcm/connect/rosstat/rosstatsite/main/) потребление электроэнергии в 2011 г. в целом по России составило 1 021,1 млрд кВт·ч.

Согласно приказу Федеральной службы по тарифам от 06.10.2011 г. № 239-э/4 минимальный уровень тарифа на электрическую энергию (мощность), поставляемую покупателям на розничных рынках в 2012 году, составит 164,23 коп/кВт·ч (без НДС).

Замена стандартных асинхронных двигателей позволит экономить от 30 до 50% энергии при той же полезной работе. Экономический эффект от повсеместной замены составит минимум:

1021,1·0,47·0,3·1,6423 = 236,4503 млрд руб. в год.

По Московской области эффект составит минимум:

47100,4·0,47·0,3·1,6423 = 10906,771 млн руб. в год.

Учитывая предельные уровни тарифов на электрическую энергию на периферийных и других проблемных территориях, максимальный эффект и минимальный период окупаемости достигается в регионах с максимальными тарифами - Иркутская область, Ханты-Мансийский автономный округ, Чукотский автономный округ, Ямало-Ненецкий автономный округ и др.

Максимальный эффект и минимальный период окупаемости может быть достигнут при замене двигателей с непрерывным режимом работы, например - насосные агрегаты водоснабжения, вентиляторные установки, прокатные станы, а также высоконагруженных двигателей, например - лифты, эскалаторы, транспортеры.

Для расчета периода окупаемости за основу приняты цены ОАО «УралЭлектро». Полагаем, что с предприятием заключен энергосервисный контракт по замене двигателя АДМ 132 M4 насосного агрегата на условиях лизинга. Цена двигателя 11 641 руб. Стоимость работ по его замене (30% стоимости) 3 492,3 руб. Дополнительные расходы (10% стоимости) 1 164,1 руб.

Всего затрат:

11 641 + 3 492,3 + 1 164,1 = 16 297,4 руб.

Экономический эффект составит:

11 кВт·0,3·1,6423 руб./кВт·ч·1,18·24 = = 153,48278 руб. в сутки (с НДС).

Период окупаемости:

16 297,4 / 153,48278 = 106,18 суток или 0,291 года.

Для остальных мощностей расчет дает аналогичные результаты. Учитывая, что время работы двигателей на промышленных предприятиях может не превышать 12 часов, период окупаемости может составлять не более 0,7-0,8 года.

Предполагается, что по условиям лизингового контракта предприятие, заменившее двигатели на новые, после уплаты лизинговых платежей выплачивает в течение трех лет 30% от экономии электроэнергии. В этом случае доход составит: 153,48278·365·3 = 168 063,64 руб. Следовательно, замена одного двигателя малой мощности позволяет получить доход от 84 до 168 тыс. руб. В среднем от замены двигателей с одного небольшого коммунального предприятия можно получить доход не менее 4,8 млн руб. Внедрение новых двигателей при модернизации стандартных позволит в коммунальной сфере и на транспорте во многих случаях отказаться от дотаций на электроэнергию без роста тарифов.

Особое социальное значение проект приобретает в связи со вступлением России в ВТО. Отечественные производители асинхронных двигателей не в состоянии конкурировать с ведущими мировыми производителями. Это может привести к банкротству многих градообразующих предприятий. Освоение производства двигателей с совмещенными обмотками позволит не только снять эту угрозу, но и составить серьезную конкуренцию на внешних рынках. Поэтому реализация проекта имеет для страны и политическое значение.

Новизна предлагаемого подхода

В последние годы в связи с появлением надежных и приемлемых по цене преобразователей частоты широкое распространение стали получать регулируемые асинхронные приводы. Хотя цена преобразователей и остается достаточно высокой (в два-три раза дороже двигателя), они позволяют в ряде случаев снизить потребление электроэнергии и улучшить характеристики двигателя, приблизив их к характеристикам менее надежных двигателей постоянного тока. Надежность 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, оснащенному специализированными двигателями с меньшей материалоемкостью и себестоимостью.

В мировой практике сложилось два основных направления решения указанной проблемы.

Первый - энергосбережение средствами электропривода за счет 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.

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 так же 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. На технические решения с 2011 года получено 7 патентов РФ. Несколько заявок находятся на рассмотрении в Роспатенте. Готовятся заявки на патентование за рубежом.

По сравнению с известными, частотно-регулируемый привод может быть выполнен на базе ДСО с повышенной частотой питающего напряжения. Это достигается за счет меньших потерь в стали магнитопровода. Себестоимость такого привода получается существенно ниже, чем при использовании стандартных двигателей, в частности, значительно снижаются шумность и вибрации.

В ходе испытаний, проведенных на стендах Катайского насосного завода, штатный двигатель мощностью 5,5 кВт был заменен на двигатель мощностью 4,0 кВт нашей конструкции. Насос обеспечил все параметры в соответствии с требованиями ТУ, при этом двигатель практически не нагрелся.

В настоящее время ведутся работы по внедрению технологии в нефтегазовом комплексе (компании Лукойл, ТНК-ВР, Роснефть, Бугульминский электронасосный завод), в предприятиях метрополитенов (Международная ассоциация метрополитенов), в горнодобывающей отрасли (Лебединский ГОК) и ряде других отраслей.

Сущность предлагаемой разработки

Сущность разработки вытекает из того, что в зависимости от схемы подключения трехфазной нагрузки к трехфазной сети (звезда или треугольник) можно получить две системы токов, образующих между векторами индукции магнитных потоков угол в 30 электрических градусов. Соответственно, к трехфазной сети можно подключить электродвигатель, имеющий не трехфазную обмотку, а шестифазную. При этом часть обмотки должна быть включена в звезду, а часть в треугольник и результирующие вектора индукции 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. Поле в рабочем зазоре стандартного двигателя лишь условно можно назвать синусоидальным. На самом деле оно ступенчатое. В результате этого в двигателе возникают гармоники, вибрации и тормозящие моменты, которые оказывают отрицательное воздействие на двигатель и ухудшают его характеристики. Поэтому стандартный асинхронный двигатель обладает приемлемыми характеристиками только в режиме номинальной нагрузки. При нагрузке, отличной от номинальной, характеристики стандартного двигателя резко снижаются, снижается коэффициент мощности и КПД.

Совмещенные обмотки так же позволяют уменьшить уровень магнитной индукции полей от нечетных гармоник, что приводит к существенному снижению общих потерь в элементах магнитопровода двигателя и повышению его перегрузочной способности и удельной мощности. Это так же позволяет выполнять двигатели для работы на более высокие частоты питающего напряжения при использовании сталей, рассчитанных для работы на частоте 50 Гц. Двигатели с совмещенными обмотками обладают меньшей кратностью пусковых токов при более высоких пусковых моментах. Это имеет существенное значение для оборудования, работающего с частыми и затяжными пусками, а так же для оборудования, подключенного к протяженным и высоконагруженным сетям с высоким уровнем падения напряжения. Они генерируют меньше помех в сеть, и меньше искажают форму питающего напряжения, что имеет существенное значение для целого ряда объектов, оснащенных сложной электроникой и вычислительными системами.

На рис. 1 показана форма поля в стандартном двигателе 3000 об./мин в статоре 24 паза.

Форма поля аналогичного двигателя с совмещенными обмотками представлена на рис. 2.

Из приведенных графиков видно, что форма поля двигателя с совмещенными обмотками ближе к синусоидальной, чем у стандартного двигателя. В результате, как показывает имеющийся опыт, без увеличения трудоемкости, при меньшей материалоемкости, без изменения существующих технологий, при равных прочих условиях получаем двигатели, по своим характеристикам существенно превосходящие стандартные. В отличие от ранее известных методов повышения энергоэффективности, предлагаемое решение наименее затратное и реализуемо не только при производстве новых двигателей, но и при капитальном ремонте и модернизации существующего парка. На рис. 3 показано, как изменилась механическая характеристика от замены стандартной обмотки на совмещенную при капитальном ремонте двигателя.

Ни одним другим известным способом невозможно столь радикально и эффективно улучшить механические характеристики существующего парка двигателей. Результаты стендовых испытаний, проведенных Центральной заводской лабораторией ЗАО «УралЭлектро-К» г. Медногорск, подтверждают заявленные параметры. Полученные данные подтверждают и результаты, полученные при проведении испытаний в НИПТИЭМ г. Владимир.

Среднестатистические данные основных энергетических показателей КПД и cos, полученные при испытании партии модернизированных двигателей, превышают каталожные данные стандартных двигателей. В комплексе все вышеприведенные показатели обеспечивают двигателям с совмещенными обмотками характеристики, превосходящие лучшие аналоги. Это было подтверждено даже на первых опытных образцах модернизированных двигателей.

Конкурентные преимущества

Уникальность предлагаемого решения заключается в том, что очевидные на первый взгляд конкуренты, по сути, являются потенциальными стратегическими партнерами. Это объясняется тем, что освоить производство и модернизацию двигателей с совмещенными обмотками можно в кратчайшие сроки практически на любом профильном предприятии, занятом производством или ремонтом стандартных двигателей. При этом не требуется изменения существующих технологий. Для этого достаточно доработать существующую на предприятиях конструкторскую документацию. Ни один конкурирующий продукт не обладает такими преимуществами. При этом не возникает необходимости в получении специальных разрешений, лицензий и сертификатов. Показательным примером может служить опыт сотрудничества с ОАО «УралЭлектро-К». Это первое предприятие, с которым заключен лицензионный договор на право производства энергоэффективных асинхронных двигателей с совмещенными обмотками. По сравнению с частотными приводами, предлагаемая технология позволяет получить большую экономию электроэнергии при существенно меньших капитальных вложениях. В ходе эксплуатации затраты на обслуживание так же существенно ниже. По сравнению с другими энергоэффективными двигателями, предлагаемый продукт отличается более низкой ценой при тех же показателях.

Заключение

Область применения асинхронных двигателей с совмещенными обмотками охватывает практически все сферы жизнедеятельности человека. Ежегодно в мире производится порядка семи миллиардов штук двигателей различной мощности и исполнений. На сегодня практически ни один технологический процесс невозможно организовать без использования электродвигателей. Последствия широкомасштабного использования данной разработки трудно переоценить. В социальной сфере они позволяют существенно снизить тарифы на основные виды услуг. В области экологии они позволяют достичь беспрецедентных результатов. Так, например, при той же полезной работе они позволяют в три раза снизить удельную выработку электроэнергии и как следствие резко сократить удельный расход углеводородов.