Энергоэффективные электродвигатели. Замена устаревших электродвигателей на современные энергоэффективные

В энергосберегающих двигателях за счет увеличения массы активных материалов (железа и меди) повышены номинальные значения КПД и cosj. Энергосберегающие двигатели используются, например, в США, и дают эффект при постоянной нагрузке. Целесообразность применения энергосберегающих двигателей должна оцениваться с учетом дополнительных затрат, поскольку небольшое (до 5%) повышение номинальных КПД и cosj достигается за счет увеличения массы железа на 30-35%, меди на 20-25%, алюминия на 10-15%, т.е. удорожания двигателя на 30-40%.

Ориентировочные зависимости КПД (h) и соs j от номинальной мощности для обычных и энергосберегающих двигателей фирмы Гоулд (США) приведены на рисунке.

Повышение КПД энергосберегающих электродвигателей достигается следующими изменениями в конструкции:

· удлиняются сердечники, собираемые из отдельных пластин электротехнической стали с малыми потерями. Такие сердечники уменьшают магнитную индукцию, т.е. потери в стали.

· уменьшаются потери в меди за счет максимального использования пазов и использования проводников повышенного сечения в статоре и роторе.

· добавочные потери сводятся к минимуму за счет тщательного выбора числа и геометрии зубцов и пазов.

· выделяется при работе меньше тепла, что позволяет уменьшить мощность и размеры охлаждающего вентилятора, что приводит к уменьшению вентиляторных потерь и, следовательно, уменьшению общих потерь мощности.

Электродвигатели с повышенным КПД обеспечивают уменьшение расходов на электроэнергию за счет сокращения потерь в электродвигателе.

Проведенные испытания трех «энергосберегающих» электродвигателей показали, что при полной нагрузке полученная экономия составила: 3,3% для электродвигателя 3 кВт, 6% для электродвигателя 7,5 кВт и 4,5% для электродвигателя 22 кВт.

Экономия при полной нагрузке приблизительно составляет 0,45 кВт, что при стоимости энергии 0,06 доллара/кВт. ч составляет 0,027 доллара/ч. Это эквивалентно 6% эксплуатационных затрат электродвигателя.

Цена обычного электродвигателя 7,5 кВт, приводимая в прайс-листах, составляет 171 доллар США, тогда как стоимость электродвигателя с повышенным КПД - 296 долларов США (надбавка к цене - 125 долларов США). Из приведенной таблицы следует, что период окупаемости для электродвигателя с повышенным КПД, рассчитанный на основе маргинальных издержек, составляет приблизительно 5000 часов, что эквивалентно 6,8 месяцев работы электродвигателя при номинальной нагрузке. При меньших нагрузках период окупаемости будет несколько больше.

Эффективность использования энергосберегающих двигателей будет тем выше, чем больше загрузка двигателя и чем ближе режим работы его к постоянной нагрузке.

Применение и замена двигателей на энергосберегающие должна оцениваться с учетом всех дополнительных затрат и сроков их эксплуатации.

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

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).

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:

Сравнение характеристик:

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.

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.

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

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:

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..

Около 60% потребляемой в промышленности электроэнергии тратится на электропривод рабочих машин. При этом основными потребителями электроэнергии являются электродвигатели переменного тока. В зависимости от структуры производства и характера технологических процессов доля энергопотребления асинхронных двигателей составляет 50…80%, синхронных двигателей 6…8%. Совокупный КПД электродвигателей составляет около 70%, поэтому уровень их энергоэффективности играет значительную роль в решении задачи энергосбережения.

В сфере разработки и производства электродвигателей с 01.06.2012 г. введен в действие национальный стандарт ГОСТ Р 54413-2011 , основанный на международном стандарте IEC 60034-30:2008 и устанавливающий четыре класса энергоэффективности двигателей: IE1 – нормальный (стандартный), IE2 – повышенный, IE3 – премиум, IE4 – супер-премиум. Стандартом предусмотрен ступенчатый переход производства на более высокие классы энергоэффективности. С января 2015 г. все выпускаемые электродвигатели мощностью 0,75…7,5 кВт должны иметь класс энергоэффектиности не ниже IE2, а 7,5…375 кВт – не ниже IE3 или IE2 (с обязательной комплектацией преобразователем частоты). С января 2017 г. все выпускаемые электродвигатели мощностью 0,75…375 кВт должны иметь класс энергоэффектиности не ниже IE3 или IE2 (допускается при работе в частотно-регулируемом приводе).

В асинхронных двигателях повышение энергоэффективности достигается :

Применением новых марок электротехнической стали с меньшими удельными потерями и меньшей толщиной листов сердечников.

Уменьшением воздушного зазора между статором и ротором и обеспечением его равномерности (способствует снижению намагничивающей составляющей тока обмотки статора, уменьшению дифференциального рассеяния и снижению электрических потерь).

Снижением электромагнитных нагрузок, т.е. увеличением массы активных материалов при уменьшении количества витков и увеличении сечения проводника обмотки (приводит к снижению сопротивлений обмоток и электрических потерь).

Оптимизацией геометрии зубцовой зоны, применением современной изоляции и пропиточного лака, новых марок обмоточного провода (увеличивает коэффициент заполнения паза медью до 0,78…0,85 вместо 0,72…0,75 в электродвигателях стандартной энергоэффективности). Приводит к снижению сопротивлений обмоток и электрических потерь.

Применением меди для изготовления короткозамкнутой обмотки ротора взамен алюминия (приводит к снижению электрического сопротивления обмотки ротора на 33% и соответствующему снижению электрических потерь).

Применением высококачественных подшипников и стабильных маловязких смазок, выносом подшипников за пределы подшипникового щита (улучшает обдув подшипников и теплоотдачу, снижает уровень шума и механические потери).

Оптимизацией конструкции и производительности вентиляционного узла с учетом меньшего нагрева электродвигателей повышенной энергоэффективности (снижает уровень шума и механические потери).

Применением более высокого класса нагревостойкости изоляции F при обеспечении перегрева по классу В (позволяет избежать переустановленной мощности в приводе с систематическими перегрузками до 15%, эксплуатировать двигатели в сетях с существенными колебаниями напряжения, а также при повышенной температуре окружающей среды без снижения нагрузки).

Учёт при проектировании возможности работы с преобразователем частоты.

Серийное производство энергоэффективных двигателей освоено такими известными фирмами как Siemens, WEG, General electric, SEW Eurodrive, ABB, Baldor, MGE-Motor, Grundfos, ATB Brook Crompton. Крупным отечественным производителем является Российский электротехнический концерн «РУСЭЛПРОМ».

Наибольшего повышения энергоэффективности удается достичь в синхронных двигателях с постоянными магнитами, что объясняется отсутствием основных потерь в роторе и использованием высокоэнергетических магнитов. В роторе, ввиду отсутствия обмотки возбуждения, выделяются только добавочные потери от высших гармонических в сердечнике ротора, постоянных магнитах и короткозамкнутой пусковой обмотке. Для изготовления постоянных магнитов ротора используется высокоэнергетический сплав на основе неодима NdFeB, магнитные параметры которого в 10 раз выше ферритовых магнитов, что обеспечивает значительное повышение КПД. Известно, что КПД большинства синхронных двигателей с постоянными магнитами соответствует классу энергоэффективности IE3 и в ряде случаев превышает IE4.

К недостаткам синхронных двигателей с постоянными магнитами относятся: снижение КПД с течением времени из-за естественной деградации постоянных магнитов и их высокая стоимость.

Срок службы постоянных магнитов составляет 15…30 лет, однако вибрации, склонность к коррозии при повышенной влажности и размагничивание при температурах 150° С и выше (в зависимости от марки) могут уменьшить его до 3...5 лет.

Крупнейшим производителем и экспортером редкоземельных металлов (РЗМ) является Китай, владеющий 48% мировых ресурсов и обеспечивающий 95% мировых потребностей. В последние годы Китай значительно ограничил экспорт РЗМ, образуя их дефицит на мировом рынке и поддерживая высокие цены. Россия владеет 20% мировых ресурсов РЗМ, однако их добыча составляет лишь 2% мировой добычи, а производство изделий из РЗМ менее 1%. Таким образом, в ближайшие годы цены на постоянные магниты будут высокими, что отразится на стоимости синхронных двигателей с постоянными магнитами.

Ведутся работы по снижению стоимости постоянных магнитов. Национальным институтом материаловедения NIMS (Япония) разработана марка постоянных магнитов на основе неодима NdFe12N с меньшим содержанием неодима (17% вместо 27% в NdFe12B), лучшими магнитными свойствами и высокой температурой размагничивания 200°С . Известны работы по созданию постоянных магнитов без редкоземельных металлов на основе железа и марганца, имеющих, лучшие характеристики, чем с редкоземельными металлами и не размагничивающиеся при высокой температуре.

Синхронные двигатели с постоянными магнитами класса энергоэффективности IE4 производят: WEG, Baldor, Marathon Electric, Nova Torque, Grundfos, SEW Eurodrive, WEM Motors, Bauer Gear Motor, Leroy Somer, Mitsubishi Electric, Hitachi, Lafert Motors, Lönne, Hiosung, Motor Generator Technology, Hannig Electro-Werke, Yaskawa.

Современные серии электродвигателей адаптированы для работы с преобразователями частоты и имеют следующие конструктивные особенности: обмоточный провод с двухслойной нагревостойкой витковой изоляцией; изоляционные материалы, рассчитанные на напряжения до 2,2 от номинального; электрическая, магнитная и геометрическая симметрия электродвигателя; изолированные подшипники и дополнительный болт заземления на корпусе; принудительная вентиляция при глубоком диапазоне регулирования; установка высокочастотных синусоидальных фильтров.

Такие широко известные на рынке производители как Grundfos, Lafert Motors, SEW Eurodrive для повышения компактности и уменьшения габаритов частотно-регулируемого привода производят электродвигатели, интегрированные с преобразователями частоты.

Стоимость энергоэффективных электродвигателей в 1,2…2 раза больше стоимости электродвигателя стандартной энергоэффективности, поэтому срок окупаемости дополнительных затрат составляет 2…3 года в зависимости от среднегодовой наработки .

Список литературы

1. ГОСТ Р 54413-2011 Машины электрические вращающиеся. Часть 30. Классы энергоэффективности односкоростных трехфазных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором (код IE).

2. Сафонов А.С. Основные мероприятия по повышению энергоэффективности электрооборудования АПК // Тракторы и сельхозмашины. № 6, 2014. с. 48-51.

3. Сафонов А.С. Применение энергоэффективных электродвигателей в сельском хозяйстве // Труды II Международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы науки и техники», выпуск II. Россия, г. Самара, 7 апреля 2015. ИЦРОН, 2015. С. 157-159.

4. Стандарт IEC 60034-30:2008 Машины электрические вращающиеся. Часть 30. Классы КПД односкоростных трехфазных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором (код IE).

5. Шумов Ю.Н., Сафонов А.С. Энергоэффективные асинхронные двигатели с медной обмоткой ротора, отлитой под давлением (обзор зарубежных публикаций) // Электричество. № 8, 2014. с. 56-61.

6. Шумов Ю.Н., Сафонов А.С. Энергоэффективные электрические машины (обзор зарубежных разработок) // Электричество. № 4, 2015. с. 45-47.