Почему в России не заливают роторы асинхронных двигателей медным сплавом?

Разговор об актуальности внедрения энергоэффективных двигателей (ЭЭД) мы начали более десяти лет назад, за это время глобальные проблемы, связанные с ухудшением экологической среды и иссяканием медленно возобновляемых энергетических ресурсов, только усугубились. Применение энергоэффективных двигателей, благодаря их высокому КПД, снижает подводимую активную мощность, а это приводит к уменьшению темпов роста установленной мощности электростанций и экономии энергоресурсов. В итоге становится меньше нагрузка на окружающую среду, неизбежная при работе ТЭС.

Ключевое преимущество ЭЭД для потребителя - это меньшая, по сравнению со стандартным мотором, цена владения двигателем с высоким классом энергоэффективности, поскольку небольшая переплата за энергоэффективный мотор с лихвой компенсируется меньшими затратами на потребленную электроэнергию. Разница в стоимости электродвигателей IE3 и IE2 окупается примерно за 12-18 месяцев.

За эти годы страны ЕС прошли путь от директивы 2005/32/ЕС Европейского Парламента, в которой, в частности, впервые предложены новые классы энергоэффективности, через инициативу по добровольному поддержанию высоких уровней КПД (MEPS), к принятию обязательных для выполнения стандартов, вменяющих классы энергоэффективности для общепромышленных машин IEC 60034-30-1 и частотно-регулируемых двигателей IEC 60034-30-2.

Установленные директивой ЕС № 640/2009 of 22 July 2009 сроки перехода на высокие классы энергоэффективности таковы, что в настоящее время основной энергоэффективностью в ЕС является класс IE3. Стоит отметить, что США опережает европейцев в плане внедрения энергоэффективных двигателей примерно на пять лет, а Россия отстает, образно говоря, на полторы ступени энергоэффективности. Оценить это отставание в годах проблематично, поскольку в Таможенном союзе до сих пор не оформлено законодательно требование к обязательному выпуску энергоэффективных моторов, хотя проект соответствующего решения подготовлен около пяти лет назад.

Разумно напомнить, что существует несколько эффективных высокотехнологичных мероприятий, позволяющих ускорить процесс внедрения высокоэнергоэффективных двигателей. Одно из них широко известно и заключается в заливке ротора, вместо алюминия, медным сплавом, обладающим высокой электрической проводимостью и, следовательно, снижающим потери в обмотке ротора.

В табл. 1 представлен конкретный пример: в первой строке приведены технические данные стандартного двигателя IE1 серии 7AVE типоразмера 180M4, Р_н=30 кВт, российской увязки, в третьей строчке - этого же двигателя высокой энергоэффективности IE2, которая достигнута совместным увеличением длины и применением электротехнической стали с меньшими потерями. Во второй строке энергоэффективность IE2 достигнута заливкой ротора медью без увеличения активной длины.

Табл. 1

Распределение греющих потерь для табл. 1 показано на рис. 1.

Рис. 1

В табл. 2 в первой строке приведены технические данные энергоэффективного двигателя IE2 серии 7AVE типоразмера 160M4, Р_н=18,5 кВт, российской увязки, во второй строчке - этого же двигателя энергоэффективности «Премиум»IE3, которая достигнута заливкой ротора медью и применением электротехнической стали с меньшими потерями. Распределение греющих потерь для табл. 2 показано на рис. 2.

Рис. 2

Заливка роторов медью широко практикуется ведущими зарубежными производителями электрических машин, например WEG, VEM и Siemens. Услуги по заливке роторов медью либо поставке готовых медных роторов, оказывает, например, фирма Breuckmann GmbH & Co. Она декларирует возможность проливания роторов длиной до 420 мм и массу заливаемой меди до 40 кг, что оценочно соответствует мощности двигателя в 132 кВт при 2р=4.

Заливка роторов медным сплавом для двигателей старших габаритов позволяет достичь предельной на сегодня энергоэффективности IE4 для асинхронного двигателя. Расчетные характеристики двигателя 7AVER280M4ie4 с клеткой ротора из медного сплава представлены в табл. 3 (первая строка).

Табл. 3

Заметим, что французская компания FAVI декларирует заливку роторов диаметром 400 мм и длиной 450 мм, а это соответствует двигателям 315, 355 габарита, где можно побороться за класс энергоэффективности IE5 (вторая строка табл. 3, в которой представлены расчетные данные двигателя повышенной мощности габарита 315, 2р=4, новейшей разработки «РУСЭЛПРОМ», серии 8Au).

С сожалением следует отметить, что в России роторы асинхронных машин средней и старшей мощности медью не заливаются, хотя, по мнению технологов - литейщиков цветных металлов, организовать данный технологический процесс на площадках, где уже внедрено цветное литье (алюминием), не представляет особого труда.

Помимо общепромышленных асинхронных двигателей коснемся еще двух приложений: двигателей для электротранспорта и H-compact двигателей рудничного исполнения.

В городском электротранспорте - приводе троллейбусов, трамваев и метро двигатели с медными стержнями применяются довольно широко. Причина их применения аналогична: повышенный КПД, меньшие габариты. Дополнительно отметим, что в тяговых АЭД с простой (не двойной) медной клеткой достигаются высокие рабочие и пиковые моменты M_max. Отечественные фирмы («РУСЭЛПРОМ», «ПЭМЗ» и др.) применяют сварные клетки роторов, французская компания ALSTOM - паяные клетки. Разумеется, замена сварных медных клеток на литые несет технические преимущества: уменьшается угроза отрыва стержней, отсутствует эффект увеличения активного сопротивления в местах сварки. По нашим оценкам, эквивалентная удельная проводимость медной клетки ротора при сварке может снизиться до 45 ×10⁶ См/м, что при мощности 100 кВт приведет к снижению КПД на 0,5-0,8 % и повышению температуры обмотки на 8-12 °С.

Заметим, что асинхронный тяговый двигатель электромобиля Tesla содержит ротор с клеткой, залитой медным сплавом.

Рудничные, шахтные двигатели имеют тяжелые условия эксплуатации как с позиции окружающей среды (запыленность, взрывоопасность, большие перепады рабочих температур), так и с позиции высоких требований к моментным характеристикам (желательно K_Mstart ³ 2,8, K_Si £7,0).

Вполне понятно, что в силу требования к «приземистости» шахтного электрооборудования электрические машины должны быть компактными, с возможно меньшими внешними диаметрами. Данное требование достигается, в том числе, применением медных стержней ротора. Однако при их использовании характерные моментные характеристики противоположны указанным выше: т.е. пусковой момент Mstart в двигателях с медным ротором относительно невелик, а вот кратность пускового тока K_Si, напротив, повышена. Решением данной коллизии является использование двойной клетки с различным сплавом: верхняя, пусковая клетка выполняется из латуни, а нижняя, рабочая, - из меди. Сварные двухкомпозитные клетки нам известны. Однако в контексте обсуждаемой проблемы мы должны говорить о литых двухкомпозитных клетках.

О подобных решениях автор данной статьи слышал в докладе специалистов УкрНИИВЭ, г. Донецк, еще на международной конференции МКЭЭЭ-2008 (Крым, Алушта, 2008 г.). Такая технология упоминалась и на встречах со специалистами WEG. Заметим, что специалисты УкрНИИВЭ говорили даже о литом роторе с переменной удельной электропроводностью по высоте паза при мощности Р=210 кВт в режиме S1. Однако нам не приходилось видеть реальную машину средней мощности с литым ротором, содержащим двойную клетку, выполненную из разных материалов, либо с простой клеткой, выполненной из сплава с переменной электрической проводимостью по высоте паза. Было бы замечательно, если бы на страницах «Конструктора. Машиностроителя» носители данных технологий поделились бы своими успехами.

Преимущества медного литья клеток роторов асинхронных машин с целью увеличения КПД, достижения требуемых моментных характеристик, уменьшения габаритных размеров, повышения надежности очевидны. Остается надеяться, что ведущие предприятия российского электромашиностроения как можно скорее возьмут эту технологию на вооружение для повышения конкурентоспособности отечественных асинхронных двигателей на мировом рынке.

Андрей Кобелев, к.т.н.,
начальник расчетно-теоретического сектора
ПАО «НИПТИЭМ», концерн РУСЭЛПРОМ