Синхронно-реактивный двигатель — лучшее решение для вентиляторов и насосов

ПАО «НИПТИЭМ», входящий в концерн «РУСЭЛПРОМ» – ведущий российский центр по созданию низковольтных асинхронных двигателей мощностью до 400 кВт. Компания, недавно отметившая свое пятидесятилетие, активно развивается, создает новые типы электромашин – частотно-регулируемые, вентильные, вентильно-индукторные. О новых разработках владимирской школы электромашиностроения нам рассказал руководитель расчетно-теоретического сектора НИПТИЭМ Андрей Кобелев.

КМ: Андрей Степанович, начнем с главного для вас и самого массового сегодня в мире – трехфазного асинхронного двигателя. Этой электромашине, созданной нашим соотечественником Михаилом Осиповичем Доливо-Добровольским в далеком 1889 году, не так давно предсказали потерю лидерства. Двигателем будущего называют синхронно-реактивный мотор. Вы согласны с таким прогнозом?

Отмечу, что наша компания владеет информацией о синхронно-реактивных двигателях (СинРД) не понаслышке. Мы уже создали несколько типоразмеров таких двигателей от 15 кВт и до 500 кВт и подтверждаем их следующие преимущества: экономичность, энергоэффективность и компактность.

Ротор синхронно-реактивных двигателей не содержит дорогих меди и алюминия, в нем не используются весьма дорогие редкоземельные магниты, и это, безусловно, снижает его стоимость. Отсутствие потерь в роторе позволяет обеспечить высокую энергоэффективность, не ниже класса IE3. Что же касается размеров, то в габаритах асинхронного двигателя СинРД демонстрирует мощность на одну-две ступени выше.

Ротор синхронно-реактивного двигателя

У синхронно-реактивного двигателя есть и недостатки: низкий коэффициент мощности невысокое значение максимального момента, необходимость специального преобразователя частоты.

Вентиляторы и насосы, на которые приходится солидный сегмент приводной техники, нуждаются в двигателях с высоким КПД и неприхотливы к пусковым и перегрузочным свойствам. Для этих применений СинРД – оптимальное решение. Сегодня как специалисты НИПТИЭМ, так и зарубежные исследователи стремятся создать эффективную конструкцию синхронно-реактивного двигателя с пусковой клеткой в роторе. Удачное «добавление опции» по прямому асинхронному пуску может снять необходимость в преобразователе. При этом энергоэффективность несколько уменьшится.

Возвращаясь к прогнозу перспектив асинхронного двигателя, отмечу, что сегодня на этот тип электромашин приходится около 80% всех двигателей, выпускаемых промышленностью. В ближайшей перспективе можно ожидать уменьшение этой доли на 1% ежегодно, так что лидирующие позиции асинхронные двигатели будут удерживать весьма долго.

КМ: С вашей традиционной продукцией большинство отечественных специалистов, хорошо знакомы. А какие бы вы выделили изменения в портфеле своих низковольтных асинхронных двигателей?

Нами освоены новые решения для электродвигателей всех видов городского транспорта: троллейбусов, трамваев, экобусов, метро. Важной инновацией здесь является НИОКР по созданию высокоэнергоэффективного компактного двигателя с постоянными магнитами для троллейбуса, с «длинной» второй зоной регулирования (с ослаблением магнитного потока). Этим проектом НИПТИЭМ готов бросить перчатку любому мировому производителю двигателей для городских электротранспортных средств – попробуйте превзойдите.

Расширяется линейка двигателей для привода вспомогательных устройств (компрессоров, вентиляторов) железнодорожных локомотивов. Наращивается номенклатура двигателей для привода тяжелых транспортных средств, как гусеничных, так и колесных.

АЭД для привода оси трамвая. Взаимосвязанный электромагнитный, тепловой и вентиляционный расчеты позволяют с высокой точностью определить электромеханические характеристики и тепловое состояние проектируемого электродвигателя.

Мы выпускаем эффективные электродвигатели для новых объектов специального назначения. По понятным причинам, здесь не будет подробностей. Однако, если данный номер журнала «Конструктор. Машиностроитель» читает специалист оборонного предприятия, которому требуются двигатели 0,18–400 кВт с высокими требованиями по энергоэффективности, надежности, к показателям ВШХ, тогда ему нужны наши знания и опыт, обращайтесь.

Добавлю, что НИПТИЭМ с удовольствием берется за наукоемкие проекты по разработке эксклюзивного привода, когда число рабочих механизмов не тиражируемо и составляет единицы штук. Реализованные таким образом проекты исчисляются десятками.

Не могу не вспомнить других представителях «Владимирской площадки» концерна «РУСЭЛПРОМ». Группа компаний «ВЭМЗ» при научно-технической поддержке НИПТИЭМ осваивает номенклатуру взрывозащищенных двигателей категории IIC, расширяется линейка двигателей для АЭС, идет активная работа над двигателями для привода рольгангов.

Электродвигатель 5АМЦ315М6А5О4 мощностью 110 кВт, 1000 об/мин с воздушным охлаждением предназначен для привода высоконапорных вентиляторов ВДНА-15, расположенных в герметичной зоне АЭС.

КМ: В ЕС дважды за последние время ужесточались требованияк энергоэффективности электродвигателей. Вся Америка давно живет в таком режиме. Китай тоже готовится перейти на нормы, сопоставимые с IE3. Почему Россия отстает?

НИПТИЭМ недавно подготовил каталог серии энергоэффективных двигателей 7AVE, куда вошли и высокоэнергоэффективные АЭД класса IE3. В нем мы подробно рассматриваем этот вопрос. Такие преимущества энергоэффективных АЭД, как значительная экономия на стоимости владения, повышенная надежность, меньший шум, глубокое регулирование в первой зоне при работе в составе частотно-регулируемого привода, для европейского потребителя более важны, чем разовая переплата на 20–30% за энергоэффективный мотор. Она окупается за год-полтора за счет экономии потребляемой электроэнергии.

Энергоэффективные асинхронные двигатели серии 7AVE общепромышленного исполнения от 4¸500 кВт.

Освоение и применение АЭД класса IE2 в странах ЕС обязательно как для производителей, так и для потребителей электродвигателей. В России же, несмотря на выпущенный в 2011 г. ГОСТ Р 54413-2011 (почти полный аналог IEC 60034-30-1), применение энергоэффективных двигателей носит рекомендательный характер. Обязательным производство и применение энергоэффективных АЭД станет у нас после принятия технического регламента ТС «О требованиях к энергетической эффективности электрических энергопотребляющих устройств», проект которого к настоящему времени согласован всеми странами ТС, кроме РФ. Сдерживание этого согласования наносит большой экономический ущерб стране.

КМ: Насколько сложно создание ЭЭД? Стремление снизить потери заставляет использовать больше меди в статоре и толкает к увеличению размеров…

Большинство типоразмеров предыдущей серии 5А имело энергоэффективность IE1. В новой серии 7AVE переход от стандартной энергоэффективности IE1 к высокой энергоэффективности IE2 осуществлен во многом благодаря принятой идеологии параметрической оптимизации без дополнительного расхода электротехнических материалов. Типоразмеры серии 5А, соответствующие классу энергоэффективности IE2, перепроектированы для снижения расхода материалов.

О более высоких классах энергоэффективности. В результате исследований нами установлено, что в увязке CENELEC возможно обеспечить энергоэффективность двигателей по классу IE4 в отрезке 160–315 мм. При этом использование медной клетки ротора в габаритах 160, 180 обязательно. В габаритах 180–315 мм необходимо применение электротехнической стали с малыми удельными потерями.

Для класса энергоэффективности IE3 медное литье необязательно. В увязке ГОСТ 31606-2012 (вариант I) энергоэффективность класса IE4 реализуема в габаритах 280, 315, 355 мм. Длина пакета (при сравнении IE1 и IE3) увеличивается на 20–40%.

Очевидно, самой дорогой технологической операцией является медное литье, необходимое для младших габаритов. Однако успехи в этом вопросе (для примера можно назвать фирму Breuckmann GmbH) позволяют предположить, что стоимость заливки роторов медью будет неуклонно снижаться. Разумеется, нужно подтянуться и по остальным технологическим переделам: качественной штамповке; заливке роторов, исключающих раковины; применению качественных подшипников. Не исчерпаны и возможности структурно-параметрической оптимизации.

КМ: С одной стороны, энергоэффективные двигатели способны сберечь несколько процентов КПД,с другой – ошибки, к примеру, при выборе механических компонентов привода или даже теплового режима масла для редуктора грозят потерей десятков процентов…

Предлагаю сосредоточиться в этом вопросе на компетенциях электромехаников и специалистов в области электропривода. До недавнего времени даже между этими близкими сферами технических знаний было недопонимание (недостаток информации) о подходах к выбору электрической машины для приводов со сложным режимом работы. Например, режим S9 – работа электродвигателя с непериодическими изменениями нагрузки и частоты вращения. Специалистами НИПТИЭМ разработана методология, программное и методическое обеспечение по проведению поискового проектирования и энергетических расчетов АЭД в динамических режимах, а также программы экспериментальных исследований двигателей в динамических режимах, созданы соответствующие испытательные стенды. Все перечисленное обеспечение позволяет проектировать оптимальный двигатель для любого рабочего механизма, сколь сложной бы ни была динамика его работы.

Если же выйти за рамки названных компетенций, следует отметить, что нередко наши специалисты активно участвуют в подготовке технических условий на изделие в целом.

АЭД защищенного исполнения (IP23) для привода вспомогательного оборудования электровоза.

КМ: Еще одна современная тенденция – отказ от редукторов во многих применениях. Как развивается ваш проект безредукторного лифтового привода на базе асинхронного двигателя?

Если говорить о современных запросах рынка, более востребованными являются лифтовые лебедки с полиспастом, где используется в том числе и наш безредукторный привод с асинхронным двигателем. Вместе с тем углубление компетенций НИПТИЭМ в области проектирования двигателей с постоянными магнитами позволило сделать несколько эскизных проектов по безредукторному лифтовому приводу на базе СДПМ. Планируем организовать выпуск таковых лебедок в ближней перспективе.

КМ: Вы создаете и продаете только электродвигатели или предлагаете и оптимизированные приводные решения «под ключ»? Не пытался ли НИПТИЭМ сотрудничать с другими производителями механических и электронных компонентов для привода?

Могу сказать, что институтом разрабатывается и поставляется комплектный электропривод для тяжелых транспортных средств и для некоторых объектов специального назначения.

КМ: Падение рубля ударило по многим российским производителям, но вроде бы подарило надежду на рост экспорта продукции. Этим шансом удается воспользоваться?

До повышения стоимости доллара к рублю конкурировать с китайскими асинхронными машинами для общепромышленных нужд было чрезвычайно сложно, сейчас задача несколько упростилась. Тем не менее вынужден отметить следующее. Трудозатраты на производство двигателя невелики. Большую часть расходов в ценообразовании занимают активные материалы. Нами проанализировано содержание активных материалов в ряде типоразмеров китайских моторов и установлено, что расход материалов у нас и у азиатских конкурентов примерно одинаков. Почему же их двигатели дешевле? Непонятно. Однако вариант ответа имеется. Возможно, азиатские производители на двигатели для экспортных поставок приобретают активные материалы, так сказать, по специальным ценам. Отечественный же производитель покупает материалы по ценам международных бирж металлов, хотя как медь, так и динамная сталь производятся в России.

Что касается модификаций и специализированных исполнений АЭД, надежды на рост экспорта продукции оправданны вдвойне.

КМ: Не за горами чемпионат мира по футболу, и, вероятно, для гостей первенства закупят электробусы. Закупят за рубежом, т. к. их промышленного производства в России нет. РУСЭЛПРОМ сделал четыре больших гибридных автобуса с различными производителями из СНГ, тяговое оборудование показало хорошие характеристики, заслужило национальную премию «Приоритет-2016», и что в итоге?

Позвольте на этот вопрос ответить исключительно как разработчику электрических машин, в том числе и для электробусов. В своих решениях мы постоянно улучшаем электромеханические, массогабаритные показатели и надежность упомянутых электрических машин. Будут ли наши решения использованы для гостей мундиаля? Возможно, на юге России.

КМ: Сегодня аналогичные гибридные технологии активно развиваются на железнодорожном транспорте и в судостроении. Каковы перспективы в этих сегментах?

НИПТИЭМ имеет опыт разработки и поставки комплектного привода в судостроении и гибридного привода для нужд ОАО «РЖД». Примером последнего являются разработка и поставка электромеханической трансмиссии погрузочно-транспортного грузового мотовоза «МПТГ-2».

КМ: В заключение давайте немного помечтаем. Электромашины, построенные на принципе сверхпроводимости, мощностью 15 кВт на кг веса…

Если это и мечты, то не столь заоблачные. В России есть мощная школа, исследующая криогенные электрические машины. Речь идет о кафедре 310 МАИ – «Электроэнергетические, электромеханические и биотехнические системы». Тем более что своим вопросом вы облегчаете ответ, поскольку оперируете не моментом, а мощностью, отсылая нас к высокоскоростным машинам. Хотелось бы также заметить, что некоторые очень смелые «рапорты» по показателю Р/G подразумевают не длительную, а пиковую мощность. Пока у НИПТИЭМ есть только очень небольшой опыт по разработке криогенной машины, точнее, двигателя, работающего в предельно низких температурах, на уровне эскизного проекта.