Развитие частотно-регулируемого привода усилило лидерсво асинхронных электромоторов

Электродвигатели, разработанные ОАО «НИПТИЭМ», можно встретить на АЭС Финляндии, Китая, Индии и многих других стран. НИПТИЭМ разрабатывает и поставляет моторы для привода вспомогательного оборудования тепловозов и электровозов. Скоро научно-технический центр по разработке и производству низковольтных асинхронных двигателей отметит свой полувековой юбилей. Сегодня гость КМ начальник расчетно-теоретического сектора ОАО «НИПТИЭМ», к.т.н. Андрей Кобелев.

КМ: ОАО «НИПТИЭМ», пожалуй, ведущая российская компания в области асинхронных электродвигателей (АЭД). Какое место этот тип машин занимает сегодня в мировом электромашиностроении? На каком этапе находится их соперничество с синхронными машинами на постоянных магнитах, учитывая рост цен на РЗМ?

В основных применениях электродвигателей, которые принято называть общепромышленными, а именно – при использовании электродвигателей для привода насосов, вентиляторов, компрессоров, задвижек, транспортеров, и т.п., при мощностях 0,09–500 кВт доминирующую роль продолжает играть электродвигатель асинхронный. Незыблемы его позиции и в таких применениях, как «краново-металлургический» и «рольганговый» двигатель. Успех АЭД в частотно-регулируемых приводах открывает асинхронному двигателю, образно говоря, второе дыхание.

Серьезное соперничество с синхронными двигателями на постоянных магнитах происходит в борьбе за привод транспортных средств, в станочном приводе, а также в общепромышленных приводах небольшой мощности при реализации энергоэффективности класса не ниже IE3.

КМ: НИПТИЭМ – один из ведущих российских центров, создающих энергоэффективные двигатели (ЭЭД). Первая в России полномасштабная серия ЭЭД - 7AVE (в базовом исполнении класс энергоэффективности IE2) была разработана вашим институтом. Каково сегодня положение дел с внедрением ЭЭД в России и мире, или, точнее, в мире и в нашей стране?

В настоящее время ведущие европейские и североамериканские компании выпускают асинхронные двигатели с классом энергоэффективности не ниже IE2. Более того, согласно решениям Еврокомиссии, начиная с июня 2011 г. на рынок ЕС европейским производителям запрещено поставлять АЭД класса ниже IE2.

При этом потребитель пока не ограничен жесткими законодательными рамками и вправе приобретать менее энергоэффективные двигатели. В США уже с начала XXI века применяют АЭД по кормам EPAct, близким к IE2, а начиная с 2010 г. активно внедряется класс NEMA Premium, близкий к IE3. Напомню, что классы энергоэффективности в Европе регулируются стандартом IEC 60034-30, принятым в 2008 г.

В России аналог этого стандарта – ГОСТ 54413-2011 введен в действие 1 июня 2012 г. Подобный стандарт принят и в Белоруссии, а вот на Украине аналогичный национальный стандарт отсутствует.

Ряд крупных отечественных производителей: ВЭМЗ, ELDIN, УРАЛЭЛЕКТРО, а также Могилевский «Электродвигатель» из Белоруссии, продекларировал готовность поставлять потребителю двигатели класса IE2. Однако гарантировать, насколько реальный КПД соответствует продекларированному, может только испытательный центр, владеющий методами определения добавочных потерь, согласно IEC 60034-2-1. Испытательный центр ОАО «НИПТИЭМ», владеющий упомянутыми методами, подтверждает, что КПД энергоэффективных двигателей, выпускаемых ВЭМЗ, реально соответствует продекларированному, и готов обсудить возможность проведения испытаний двигателей других производителей СНГ.

Замечу, что в упомянутом российском стандарте – ГОСТ 54413-2011 введен класс энергоэффективности IE4; ожидается также расширение действия IEC 60034-30 на больший диапазон мощностей и частот вращения. НИПТИЭМ готов к этим вызовам.

КМ: Каков период окупаемости ЭЭД?

Окупаемость разницы в стоимости электродвигателя класса IE2 по сравнению с мотором класса IE1 составляет 11–18 месяцев, а за весь период эксплуатации ЭЭД принесет экономию, равную по меньшей мере своей двукратной цене. Тем не менее, отечественный рынок энергоэффективных двигателей весьма невелик и оценивается по совокупной стоимости проданных АЭД, менее 20%. Надеемся, что разъяснительная работа, проводимая в том числе и вашим журналом, изменит сложившуюся ситуацию в лучшую сторону.

КМ: По расчетам экспертов, широкое использование ЭЭД в производстве позволят сэкономить стране 6 ТВт/ч в год. Должно ли государство законодательно формировать спрос на ЭЭД?

Экономия установленной мощности электростанций, снижение нагрузок на электросети, экономия медленно возобновляемых энергоресурсов, улучшение экологической обстановки – эти задачи, решению которых способствует внедрение ЭЭД, имеют, безусловно, государственный масштаб. Полагаю, что власти должны законодательно формировать спрос на ЭЭД. Отмечу, что на заседании МА «ИНТЕРЭЛЕКТРОМАШ», состоявшемся в ноябре, звучал прогноз, что такое государственное регулирование может законодательно оформиться примерно к 2015 г. Считаю этот срок затянутым, но пусть реализуется хотя бы он.

КМ: Помимо базового исполнения серия асинхронных двигателей подразумевает колоссальное количество модификаций и специальных исполнений. Насколько названное многообразие двигателей учтено вами при разработке новой серии 7AVE?

Действительно, ОАО «НИПТИЭМ» помимо разработки серий асинхронных двигателей основного исполнения одновременно разрабатывало и требуемые модификации и специальные исполнения, например, многоскоростные двигатели машины с повышенным скольжением, морского исполнения, двигатели, для работы в агрессивных средах и многие другие.

Так было при разработке серий 4А, АИР, 5А. Так происходит и сейчас: в серии 7AVE учитываются все известные потребности рынка на модификации и специальные исполнения. Другое дело, что мы как разработчики вправе несколько переформировать рынок в связи с современными тенденциями: например, 4-, 3-скоростные двигатели должны быть постепенно заменены на частотно-регулируемые машины.

КМ: Решается ли как-то вопрос пересмотра действующих увязок (т.н. увязки СЭВ) для моторов с 80-й по 132-ю высоту класса энергоэффективности IE3?

Хороший вопрос. Принятые в СССР увязки мощности к присоединительным размерам (увязка СЭВ) были установлены несколько десятилетий назад и значительно отличаются от норм CENELEC тем, что в европейских стандартах в тех же габаритах предусматриваются меньшие номинальные мощности. Например, четырехполюсный электродвигатель габарита 200 мм по СЭВ должен иметь мощность на длине «L» 45 кВт, а по CENELEC –только 30 кВт. Обе увязки закреплены ныне действующим российским стандартом ГОСТ Р 51689-2000.

При введении классов энергоэффективности перед разработчиками серии возникла задача не просто в том же активном объеме обеспечить большую мощность, но и реализовать высокий (IE2) и очень высокий (IE3) КПД. Наши теоретические исследования показывают, что в габаритах 80–132 при числе полюсов 2р=4,6 очень сложно реализовать машину класса энергоэффективности IE3 в разумной активной длине и с разумной себестоимостью. Если требование обязательного введения IE3 будет оформлено законодательно (в Европе это ожидается в 2015 г.), возможно два варианта развития событий: отказ от увязки СЭВ в упомянутых габаритах; реализация двигателей 2р=4 с применением постоянных магнитов. «Первой ласточкой» должен стать габарит 80 мм.

КМ: Известно, что НИПТИЭМ, помимо разработки асинхронных двигателей, занимается созданием программного обеспечения для исследования электрических машин. Можете ли несколько слов сказать об этой области работ?

Разумеется, являясь ведущим российским центром по разработке низковольтных электрических машин, НИПТИЭМ имеет полный расчетный арсенал для исследования требуемых электромеханических преобразователей энергии. Особенность же состоит в том, что большинство программ создано специалистами НИПТИЭМ и открыто для реализации профильным НИИ и КБ.

Наиболее широко известна и внедрена на дюжине электротехнических предприятий РФ и СНГ промышленная программа электромагнитного расчета трехфазных асинхронных двигателей с произвольной конфигурацией пазов, которая поддерживает расчет АЭД:
• габаритов 45 – 560 мм;
• мощностей 0,06 – 2500 кВт;
• напряжений 24 – 10000 В.

Поддерживается расчет АЭД как с внутренним, так и с внешним ротором (обращенной конструкции). Клетка ротора может быть как литой, так и сварной, простой либо двойной. Элементы магнитопровода могут быть выполнены из разных сталей. Программа снабжена модулем «экспресс»-теплового расчета, мощным экономическим модулем, а также автоматическим выводом результатов расчета непосредственно в конструкторские документы.

Назову еще программу моделирования электромеханических свойств частотно-регулируемого асинхронного электропривода в динамических режимах работы; программный комплекс  для разработки и моделирования вентильно-индукторных электродвигателей; программу расчета предельных механических характеристик АЭД; программу тепловентиляционного расчета ЭМ. Этот перечень программ далеко не полный.

КМ: Одна из тем этого номера журнала – лифтовый привод. Наш небольшой экспресс-опрос показал, что частотное регулирование еще не везде прижилось в России. Какова судьба вашей разработки – безредукторного частотно-регулируемого привода лифтов?

Разработка и освоение лифтовой лебедки с безредукторным частотно-регулируемым приводом на базе специального высокомоментного асинхронного электродвигателя является устойчивым и динамично развивающимся направлением «НИПТИЭМ».

По требителями востребованы лебедки для лифтов различной грузоподъемности: 400, 630, 1000 кг. За неполный 2012 г. реализовано более ста лебедок; в 2013-м выпуск лебедок будет увеличен как минимум на порядок.

Заметим, что согласованное уменьшение диаметра КВШ и одновременное применение полиспаста позволяют кардинально уменьшить размеры приводного двигателя, повысить его энергоэффективность и... увеличить преимущества в борьбе с СДПМ за право быть приводным двигателем лифтовой лебедки.

КМ: Еще одна инновационная область, попадающая в зону компетенции концерна «Русэлпром», в который входит НИПТИЭМ – электротрансмиссии и гибридный привод…

НИПТИЭМ успешно разрабатывает тяговые электродвигатели различных транспортных средств: трамваев, троллейбусов, метрополитена (электротранспорт), гусеничных и колесных тракторов и подобных им машин (электротрансмиссия); автобусов (гибридный привод).

Среди основных особенностей тяговых характеристик разработанных электрических машин следует выделить:
• высокий крутящий момент, требуемый на низких частотах вращения;
• большой диапазон рабочих частот вращения;
• высокое соотношение частот вращения, определяющих конец второй зоны регулирования (конец зоны постоянства мощности) и конец первой зоны регулирования (конец зоны постоянства крутящего момента).

Назовем два конкретных проекта из ряда реализованных: электротрансмиссия для привода трактора «Беларус-3023»; гибридная силовая установка для 12-метровых автобусов «Богдан А-70522» и «Витовт А-420».

Силовая и управляющая электроника для обеих разработок создана специалистами «Русэлпром-Электропривод». НИПТИЭМ и концерн «Русэлпром» в целом относят выполненные работы к стратегическим направлениям развития, отвечающим современным требованиям по энергоэффективности. На данный момент в работе находится ряд аналогичных проектов с отечественными и зарубежными заказчиками.

Конструктор. Машиностроитель, 2012-5