КПД и стоимость синхронного реактивного двигателя

В статье приводится сравнение синхронного реактивного двигателя (СРД), разработанного ООО «ЭМАШ», с другими типами серийно производимых двигателей для регулируемого привода: асинхронным (АД) и синхронным двигателем с постоянными магнитами (ПМ) (рис. 1). Параметрами сравнения являются энергоэффективность, масса и стоимость активных материалов, необходимых для производства машины.

Рис. 1. Эскизы конструкции

Асинхронные двигатели (рис. 1а) широко применяются в самых различных приложениях благодаря низкой стоимости и высокой надежности. Тем не менее к настоящему времени они уже достигли предела своего конструктивного и технологического совершенствования. Дальнейшее улучшение КПД этих двигателей возможно лишь экстенсивными методами: использование большего количества меди и стали, а также использование медной беличьей клетки ротора вместо алюминиевой, применяемой традиционно.

Основным недостатком таких решений является увеличение размеров АД и его стоимости. Более того, наличие медной беличьей клетки ротора приводит к значительному усложнению и удорожанию технологии производства этих двигателей из-за высокой температуры плавления меди. Оставаясь приемлемыми по стоимости, они могут соответствовать лишь классу эффективности IE3. Классы энергоэффективности (IE-классы) здесь и далее определены, согласно стандарту IEC 60034-30-2 Rotating electrical machines – Part 30-2:Efficiency classes of variable speed AC motors (IE-code).

Традиционно самым энергоэффективным типом двигателя считается синхронный двигатель с ПМ. Многие производители (например, WEG, Yaskawa, Emerson и др.) предлагают комплектные электроприводы на базе двигателя с магнитами в роторе (англ. interior permanent magnet synchronous motor, рис. 1в). Основным недостатком такого решения является высокая стоимость по причине применения в конструкции двигателя дорогостоящих редкоземельных магнитов.

Цены на редкоземельные магниты не только высокие, но и нестабильные, так как монополией на добычу сырья для них владеет Китай. Из-за этого стоимость магнитов может измениться в 2–3 раза в течение нескольких лет. Для примера, рис. 2 демонстрирует динамику цен на некоторые редкоземельные металлы за 2008–2014 годы [1].

Рис. 2. История цен на редкоземельные металлы на мировом рынке [1].

Наряду с вышеупомянутыми типами двигателей все большее распространение получает синхронный реактивный двигатель (СРД, рис. 1б). Он отличается отсутствием в конструкции постоянных магнитов, что обуславливает значительно большую надежность конструкции и намного меньшую стоимость производства, в сравнении с двигателями с ПМ. В настоящее время СРД с классами энергоэфективности IE3 и IE4 производятся рядом европейских производителей (ABB, Siemens, KSB, Sicme Motori и др.). Кроме того, можно отметить отечественные компании – «РУСЭЛПРОМ» и ПАО «НИПТИЭМ» разработали несколько синхронных реактивных двигателей, а предприятие «Автоматизированные системы и комплексы» начало разработку алгоритма управления для СРД в своем преобразователе частоты (ПЧ). На  выставке Hannover messe-2018 китайская компания Shenzhen Best Motion Technology Limited продемонстрировала 15 кВт СРД, а корейская компания Hyosung разместила на своем сайте информацию о своих СРД.

Многими компаниями также производятся преобразователи частоты, поддерживающие работу с СРД без датчика положения ротора (ABB, Siemens, KSB, Danfoss, Invertek, KEB, Delta Electronics, Yaskawa, Schneider Electric и др.).

Компанией ООО «ЭМАШ» был разработан СРД оригинальной запатентованной конструкции, соответствующий классу энергоэффективности IE5 (на рис. 3а изображен лист ротора).

Рис.3

Типичными приложениями регулируемого привода являются насосные установки систем отопления, вентиляции и кондиционирования, а также промышленные центробежные насосы. В таких приложениях двигатель большую часть времени работает с нагрузкой меньше, чем номинальная. Поэтому в этом случае требуется высокий КПД двигателя не только в номинальном режиме, но и в широком диапазоне скоростей и моментов. Зависимость механического момента на валу T от скорости вращения двигателя n в таких приложениях в первом приближении можно считать квадратичной.

Рис. 4 и рис. 5 демонстрируют сравнение КПД приводов (показан суммарный КПД «двигатель + ПЧ») мощностью 1,1 кВт/3000 об/мин для насосной нагрузки (T ~ n²). КПД СРД оказывается существенно выше, чем у других приводов, во всем диапазоне скоростей и нагрузок. В диапазоне от 175 Вт до 1,1 кВт КПД СРД привода, по крайней мере, на 10 % выше, чем у асинхронного двигателя. В режиме номинальной нагрузки КПД выше, чем у двигатель с ПМ на  4,6 %. Однако в режиме малых нагрузок эта разница составляет уже около 18 %. Рассматриваемому диапазону мощности соответствует диапазон скорости вращения от 1500 до 2950 об/мин.

Рис. 4. КПД в зависимости от механической мощности для приводов 1,1 кВт, 3000 об/мин (T ~ n²)

Рис. 5 КПД в зависимости от скорости вращения для приводов 1,1 кВт, 3000 об/мин (T ~ n²)

Основным фактором низких потерь СРД при малой нагрузке в сравнении с асинхронным двигателем является отсутствие электрических потерь в беличьей клетке ротора. Если сравнивать СРД с ПМ двигателем – здесь основным фактором становится отсутствие нерегулируемого потока постоянных магнитов, который вызывает в машинах такого типа большие потери холостого хода.

Результаты по КПД для СРД (производитель «ЭМАШ») и двигателя с ПМ были измерены, согласно IEC 60034-30-2:2016 Rotating electrical machines – Part 2-3: Specific test methods for determining losses and efficiency of converter-fed AC induction motors, при применении «прямого» метода 2-3-C (Input-output) (рис. 3б).

Результаты по КПД для АД (модель M2BAX 80 MB 2, класс IE2, производитель ABB) были получены с использованием программы ABB DriveSize Simulation Tool.

Таблица 1 показывает оценку массы и стоимости активных материалов, необходимых для производства рассматрива- емых двигателей. При расчете были приняты следующие цены: 1 $/кг для стали, 7 $/кг для меди, 2 $/кг для алюминия, 98 $/кг для постоянных магнитов.

Табл. 1. Масса и стоимость активных материалов двигателей 1,1 кВт, 3000 об/мин

Можно отметить, что синхронный двигатель с постоянными магнитами будет еще более проигрывать по стоимости производства при учете усложнения технологии производства по сравнению с СРД и АД. В то же время синхронный реактивный двигатель, не имеющий литой клетки и магнитов в роторе, обеспечивает самую простую среди рассматриваемых вариантов технологию производства.

По результатам проведенного сопоставления можно заключить, что если решающими являются КПД и стоимость двигателя (например, в таких приложениях, как насосы, вентиляторы, компрессоры), то применение СРД в регулируемом электроприводе является более предпочтительным, чем использование асинхронного двигателя или двигателя с ПМ. Применение же дорогих синхронных двигателей с постоянными магнитами более оправданно в тех случаях, когда требуется снизить габариты машины (например, электротранспорт, мотор-колеса, авиация, сервосистемы и т. д.).

В. А. Прахт, к. т. н.,

директор ООО «ЭМАШ», заведующий лабораторией

«Электрических машин» Уральского федерального университета

Источники:

1. J. Widmer, R. Martin, M.Kimiabeigi, “Electric vehicle traction motors without rare earth magnets”, in Sustainable Materials and Technologies, Volume 3, Pages 7-13, DOI: 10.1016/j. susmat.2015.02.001, April 2015.