Энергоэффективность электропривода. Комплексный подход

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"