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.

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.

Распечатать

Электропривод

Энергоэффективность электропривода. Комплексный подход

«Круглый стол» в рамках ПТА-2011

Почти половину всей электроэнергии, добываемой в мире, расходуют электродвигатели. И интерес КМ к теме энергоэффективности приводной техники вполне объясним. В сентябре в рамках выставки ПТА мы провели "круглый стол", посвященный этой проблеме. Сегодня публикуем первую часть дискуссии.

Энергоэффективные двигатели - мифы и реальность

Хотелось бы развенчать некоторые популярные мифы, созданные "успешными менеджерами", продающими двигатели с повышенным КПД или энергоэффективные двигатели (ЭЭД).

Что же такое энергоэффективные двигатели – это машины, КПД которых на 1–10% выше, чем у стандартных моторов. Причем, если речь идет о крупных двигателях, разница составляет 1–2%, а в моторах малой мощности она может достигать 7–10%.

Высокий КПД в двигателях достигается за счет:

Увеличения массы активных материалов – меди и стали;
- применения более тонкой и высококачественной электротехнической стали;
- использования меди вместо алюминия в качестве материала обмоток ротора;
- уменьшения воздушного зазора между ротором и статором с помощью высокоточного технологического оборудования;
- оптимизации зубцово-пазовой зоны магнитопроводов и конструкции обмоток;
- применения подшипников высокого качества;
- специальной конструкции вентилятора.

По данным статистики, стоимость самого двигателя составляет менее 2% от общих затрат на жизненный цикл (при работе 4000 часов ежегодно в течение 10 лет). На электроэнергию тратится примерно 97%. Около процента уходит на монтаж и техническое обслуживание.

Как видно из диаграммы, уже более десяти лет в Европе идет планомерное вытеснение низкоэффектиных двигателей моторами с повышенным КПД. С середины этого года в ЕС запрещено использование новых двигателей класса ниже IE2.

Преимущества и недостатки ЭЭД

В общем случае переход к применению ЭЭД позволяет:

Повысить КПД двигателя на 1–10%;
- увеличить надежность его работы;
- уменьшить время простоев и затраты на техническое обслуживание;
- повысить устойчивость двигателя к тепловым нагрузкам;
- улучшить перегрузочную способность;
- повысить устойчивость двигателя к различным нарушениям эксплуатационных условий: пониженному и повышенному напряжению, искажению формы волн (гармоникам), несбалансированностифаз и т. д.;
- увеличить коэффициент мощности;
- снизить уровень шума.

У машин с повышенным КПД по сравнению с обычными на 10 – 30% выше стоимость, несколько больше масса. Энергоэффективные двигатели имеют по сравнению с обычными двигателями меньшее скольжение (следствие чего – частота вращения немного больше) и более высокую величину пускового тока.

В некоторых случаях использование энергоэффективного двигателя не является целесообразным:

Если двигатель эксплуатируется непродолжительное время (менее 1–2 тыс.часов/год), внедрение энергоэффективного двигателя может не внести существенного вклада в энергосбережение;
- если двигатель эксплуатируется в режимах с частым запуском, сэкономленная электроэнергия может быть израсходована вследствие более высокого пускового тока;
- если двигатель работает с неполной нагрузкой (например, насосы), но на протяжении длительного времени, объемы энергосбережения в результате внедрения энергоэффективного двигателя могут оказаться незначительными по сравнению с потенциалом привода с переменной скоростью;
- каждый дополнительный процент КПД требует увеличения массы активных материалов на 3–6%. При этом момент инерции ротора возрастает на 20–50%. Поэтому высокоэффективные двигатели уступают обычным по динамическим показателям, если при их разработке специально не учитывается это требование.

Практика и расчеты показывают, что затраты окупаются за счет сэкономленной электроэнергии при эксплуатации в режиме S1 за год-полтора (при годовой наработке 7000 часов).

Энергоэффективность и надежность электрической машины неразрывно связаны. Обратная сторона энергоэффективности – это потери. Именно потери являются одним из превалирующих факторов, определяющих продолжительность эксплуатации двигателя. Возьмем только один аспект этой проблемы – тепловое воздействие на обмотки двигателя. Основная часть электрической энергии, которая в работу не преобразовывается, теряется в виде тепла. Рассматривая надежность изоляции обмоток, нужно знать «Правило восьми градусов» (на самом деле для разных классов изоляциии речь следует вести о 8 – 13 °С): превышение рабочей температуры двигателя на указанную выше величину сокращает его продолжительность жизни в 2 раза. Пример из практики. В вагонах московской монорельсовой дороги в результате инженерных просчетов первые опытные двигатели с изоляцией класса Н (180 °С) вынуждены были работать при температуре 215–220 °С. В таком режиме их хватало всего на несколько месяцев эксплуатации.

Двигатели, которые обладают повышенным КПД, меньше греются, а значит, дольше живут. Энергоэффективные двигатели – это двигатели повышенной надежности.

Ремонт или покупка

Еще одна важная проблема, возникающая при эксплуатации электродвигателей, – снижение КПД после капитального ремонта. Рынок ремонтных работ примерно в три раза превышает возможности производства новых двигателей. Для извлечения старой обмотки в большинстве случаев применяется тепловое воздействие на статор вместе со станиной. Такая операция значительно ухудшает свойства электротехнической стали, увеличивает ее магнитные потери. Исследования показали, что при капитальном ремонте КПД снижается на 0,5–2%, а иногда до 4–5%. Соответственно, эти потери начинают дополнительно греть двигатель, что очень плохо. На практике есть два варианта правильных действий. Экономически выгодный путь – покупка нового энергоэффективно- го двигателя. Второй вариант – высококачественный ремонт сгоревшего мотора. Это следует производить не в обычном рабочем цехе, а на специализированном предприятии.

Новые решения от АББ

АББ уделяет энергоэффективности двигателей очень большое внимание. Мы выпускаем моторы классов IE2 и IE3 и в алюминиевом, и в чугунном корпусе.

Двигатели класса IE3 АББ продаёт с начала этого года. Они востребованы у машиностроителей и промышленных предприятий, ориентированных на энергоэффективные технологии. Они хороши там, где требуется постоянная работа двигателя с нагрузкой, близкой к номинальной.

В четвертом квартале компания АББ выпускает на рынок серию M3BP высотой оси вращения 280–355 с классом энергоэффективности IE4 (SUPER PREMIUM EFFICIENCY). Серия M3BP – вершина конструкторских и технологических разработок компании АББ в области электромашиностроения. Сочетая в себе высокую эффективность, надежность и долгий срок службы, двигатели серии M3BP являются наиболее оптимальным и универсальным предложением для большинства отраслей и применений современной промышленности.

Важный вопрос – работа двигателя в составе частотно-регулируемого привода. Мы твердо занимаем место в первой тройке мировых производителей электроприводной техники. Важным преимуществом компании АББ является возможность проведения совместного испытания двигателей с преобразователями частоты.

При питании двигателя от преобразователя частоты очень важно уделять внимание таким вопросам, как прочность изоляции, применение изолированного подшипника и принудительное охлаждение двигателя.

Членами СЭВ было принято решение увеличить мощность двигателя на 1–2 ступени, не изменяя габарита, т. е., по сути, сохранив прежний объем двигателей. Речь идет о введении увязки СЭВ вместо действующей в Европе увязки CENELEC при внедрении серии 4А. Следующим негативным шагом в контексте обеспечения энергоэффективности явилось уменьшение заготовительных диаметров серии АИР по сравнению с серией 4А. Тогда, наверное, это было правильно, нужно было экономить электротехнические материалы, но сегодня мы столкнулись с проблемой, что в увязку СЭВ надо "вогнать" КПД, соответствующий классу IE2 или даже IE3. Наши тщательные проработки показали, что заготовительных диаметров младших машин увязки СЭВ не хватает для обеспечения класса IE3. И если Россия будет действовать в русле Еврокомиссии и ориентироваться на нормы МЭК 60034-30, пусть даже с отставанием на два-три года, то, когда дело дойдет до класса высшей энергоэффективности IE3, выяснится, что колоссальный ряд машин – с 90-й по 132-ю высоту – просто не сможет их обеспечить. Придется ломать увязку, все, что делалось тридцать лет, придется изменять. Это настоящая бомба замедленного действия. Хорошо хоть, что с габарита 160 и выше такой опасности нет. Несмотря на увеличенную мощность (либо уменьшенный объем при мощности CENELEC), мы все же сможем добиться класса энергоэффективности IE3. Отмечу, что если для средних габаритов у европейских производителей стоимость двигателей класса IE3 по сравнению с IE1 увеличивается на 30–40%, то для российской увязки стоимость машин возрастает существенно больше. Мы ограничены диаметром, а, значит, вынуждены чрезмерно увеличивать активную длину машины

О материалах и цене АЭД

Мы должны думать о цене электрических машин. Медь дорожает значительно быстрее стали. Поэтому мы предлагаем там, где возможно, использовать так называемые стальные двигатели (с меньшей площадью пазов), т. е. экономим медь.

Кстати, по тем же самым причинам НИПТИЭМ не является приверженцем двигателей с постоянными магнитами, поскольку магниты будут дорожать все больше и быстрее, чем медь. Хотя в равных объемах двигатель с постоянными магнитами обеспечивает больший КПД, чем асинхронник.

В сентябрьском номере КМ вышла статья о двигателях SEW Eurodrive, построенных по технологии Line Start Permanent Magnet, по замыслу создателей, объединяющей преимущества синхронной и асинхронной машин. По сути, это машины с постоянными магнитами, а короткозамкнутая клетка ротора используется при запуске, разгоняя машину до подсинхронной скорости. Такие двигатели при высшем классе энергоэффективности достаточно компактны. Мне кажется, они не получат массового применения, потому что постоянные магниты очень востребованы в иных отраслях, нежели общепром, и, по экспертной оценке, в дальнейшем в основном будут использоваться для выпуска спецтехники, на которую денег не жалеют.

Первые российские ЭЭД от РУСЭЛПРОМ

Серия 7AVE позиционируется как первая полномасштабная энергоэффективная серия РФ с габаритами от 112 до 315. Фактически вся она разработана. Габарит 160 полностью внедрен. Внедряются габариты 180 и 200. Начиная с габарита 250, около десяти типоразмеров машин ныне выпускаемой серии 5А, если пересчитать КПД на измеренные добавочные потери, соответствуют классу IE2; два типоразмера – классу IE3. В серии 7AVE названные типоразмеры будут более экономичными.

Замечу, что перед российскими учеными стоит очень сложная и увлекательная задача оптимального построения серии асинхронных машин, которая содержит несколько увязок (российская и европейская, повышенной мощности) 13 габаритов, три класса энергоэффективности, многочисленные модификации, то есть глобальная задача многообъектной оптимизации.

Фотографии предоставлены ООО "АББ"

Электропривод 02.10.2019 Золотую медаль за инновационную трансмиссию eAutoPowr и интеллектуальную систему e8WD получила компания John Deere от Сельскохозяйственного общества Германии (DLG). Еще за 39 продуктов и решений были отмечены серебряными наградами.

Электропривод 30.09.2019 Компания Sumitomo Heavy Industries достигла соглашения о приобретении производителя частотно-регулируемых приводов Invertek Drives. Как сообщается в релизе, это очередной шаг стратегии по развитию бизнеса, как с точки зрения увеличения портфеля, так и расширения охвата мирового рынка.

Современные трехфазные энергосберегающие двигатели позволяют существенно снизить затраты на электроэнергию благодаря более высокому коэффициенту полезного действия. Другими словами такие двигатели способны выработать большее количество механической энергии из каждого затраченного киловатта электрической энергии. Более эффективное расходование энергии достигается за счет индивидуальной компенсации реактивной мощности. При этом конструкция энергосберегающих электродвигателей отличается высокой надежностью и длительным сроком службы.

Универсальный трехфазный энергосберегающие электродвигатель Вesel 2SIE 80-2B исполнение IMB14

Применение трехфазных энергосберегающих двигателей

Использовать трехфазные энергосберегающие двигатели можно практически во всех отраслях. От обычных трехфазных двигателей они отличаются лишь малым потреблением энергии. В условиях постоянного роста цен на энергоносители энергосберегающие электродвигатели могут стать по-настоящему выгодным вариантом как для небольших производителей товаров и услуг, так и для крупных промышленных предприятий.

Деньги, потраченные на приобретение трехфазного энергосберегающего двигателя, достаточно быстро возвратятся к вам в виде экономии средств, направляемых на приобретение электричества. Наш магазин предлагает вам получить дополнительную выгоду, приобретя качественный трехфазный энергосберегающий двигатель по действительно невысокой цене. Замена устаревших морально и физически электродвигателей на новейшие высокотехнологичные энергосберегающие модели – ваш очередной шаг на новый уровень рентабельности бизнеса.

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».