Стоит ли пересматривать стандарты?

Текущие стандарты ГОСТ мешают развитию промышленных электродвигателей в России. По мнению специалистов российского представительства электротехнического концерна WEG, ключевая проблема заключается в принятой увязке "мощность-габарит". Из-за нее электромоторы, выпускаемые сегодня на российских предприятиях, не имеют мощностного запаса, уберегающего двигатель от перегрузок. В итоге, как считают в компании, отечественные пользователи вынуждены приобретать более мощные двигатели, эксплуатация которых значительно снижает уровень энергоэффективности промышленности. Своим взглядом на проблему с читателями КМ поделился начальник расчетно-теоретического сектора ПАО "НИПТИЭМ", к.т.н. Андрей Кобелев.

Двигатели 4А, АИР спроектированные по увязке СЭВ (ныне соответствует ГОСТ-31606-2012, вариант увязки I) были оптимальны, но критерием оптимальности тогда являлась не энергоэффективность и сопутствующие ей преференции, а минимум приведенных затрат за нормативный срок окупаемости, т.е. некий обобщенный показатель, который пытался одновременно учесть интересы и производителя и потребителя, да еще и через призму плановой экономики. КПД тогда не играл доминирующей роли. Замечу, что определение того, что брать в качестве комплексного критерия оптимизации при проектировании новых общепромышленных серий и их модификаций - вопрос до конца не решенный научным сообществом и поныне.

Для электрического привода конкретного рабочего механизма нужна вполне конкретная мощность двигателя. В учебниках по электроприводу выбору мощности электродвигателя всегда уделяют достойное место. Совершенно очевидно, что шкала мощностей должна быть стандартизована. Ибо очень неудобно иметь чрезмерно большой ряд мощностей с малой градацией их ступеней для любых капризов разработчиков рабочих механизмов. Ряд мощностей был стандартизован в 1956 г. документом МЭК 72.

Очевидно, что должны быть стандартизированы и присоединительные размеры двигателя к механизму, иначе их агрегирование было бы всякий раз мучительным. Ряд установочных и присоединительных размеров также был в 1956 г. стандартизован документом МЭК 72. Чего в этом супе не хватает? Не хватает увязки мощности к присоединительному размеру. МЭК 72 давал этому свободу. Например, есть стандартизованная мощность 7,5 кВт, есть стандартизованные высоты (габариты)...132, 160... А вот в каком габарите из 132, 160 реализовывать мощность в 7,5 кВт - вопрос оставался открытым, т.е. на усмотрение разработчика серии.

Старая увязка СЭВ была принята в 1958 г. По ней, для примера, мощность 7,5 кВт для четырехполюсного двигателя реализовалась аж в габарите 160. Т.е. для данной мощности существовал очень большой "простор" активной геометрии. Если бы делать электромашины из современных материалов, то запас по перегреву был бы огромен и КПД достаточно высок. Однако для европейских производителей старая увязка была СЭВ слишком расточительна, поэтому в 1964 г. Европейский Комитет по координации электротехнических стандартов (CENEL) принял увязку мощностей и присоединительных размеров, установленных немецкими стандартами DIN42673 и DIN42677 1959 года. Эта увязка была близка к обновленной американской увязке по NEMA. Отмечу, что организация CENELEC, отвечающая сегодня за стандартизацию в Европе в области электротехники, сохранила европейскую увязку 1964 г до сих пор (соответствует ГОСТ-31606-2012, вариант увязки II).

В нашем примере в увязке CENELEC мощность 7,5 кВт реализуется в габарите 132, причем это наибольшая мощность, которую позволяет CENELEC реализовать в габарите 132. Но мы помним, что СССР зачастую ставилась цель "догнать и перегнать".

Повторюсь, новая увязка СЭВ была принята в 1968 г. Разработчики этой увязки постарались запихнуть максимально возможные мощности в существующие габариты. Для нашего примера в габарите 132, 2р=2,4 решено выполнять наибольшую мощность 11 кВт. Чем большая мощность реализуется в габарите, тем меньше у нее запас по нагреву - именно об этом и говорят специалисты WEG. Остается добавить, что тем сложнее делать двигатели с большим КПД. Поэтому для ряда типоразмеров указанных ниже никому и не сделать в увязке СЭВ двигатели с КПД по энергоэффективности IE4.

В увязке СЭВ наличествуют как "удобные" так и "неудобные" габариты в контексте повышения КПД. В рассуждении о КПД непременно надо учитывать фактор габарита, а именно: машин малой мощности, так называемых "медных" машин; машин средней мощности, где одинаково существенны как потери в меди, так и потери в стали; машин старшей мощности, где наиболее существенны потери в стали.

Так вот, в "медных" машинах, габаритов 80-132, 2р=2, достичь КПД по классу IE3 вполне реально заменой алюминиевой клетки ротора на медную. Для 2р=4 это более проблематично, поскольку, исходя из постоянной Арнольда, для машины 2р=4, в общем-то, нужен вдвое больший объем. (Задача выбора компромиссных внешних и внутренних диаметров для гармонизации всех чисел полюсов в рамках габарита выходит далеко за рамки настоящего анализа).   Габариты 112, 132 в увязке СЭВ в смысле достижения КПД по классу IE3 для 2р=4 являются "неудобными". В то же время, в увязке CENELEC достижимым оказывается даже класс IE4.

Габариты 160-225 являются переходными от "медных к железным". Кроме того, в этих габаритах медное литье уже слишком дорого, а применение медных стержней с последующей пайкой КЗ колец еще слишком дорого. В контексте неритмичности увязки наиболее "неудобными" являются габариты 180 и 225, а наиболее удобным - 160. В увязке СЭВ с алюминиевым литьем класс IE3, 2р=2, реализуется для всего отрезка 160225, а для 2р=4 - удовлетворительно только для габарита 160. Для увязки CENELEC проблем с классом IE3 не существует для любой полюсности.

В "железных машинах" габаритов 250-355 вполне возможно в увязке СЭВ реализовать класс IE3 для всех чисел полюсов, подпадающих под IEC-60064-30-1 не переходя к ротору с медными стержнями. Наименее "удобный" габарит здесь - 250. С использованием медного ротора и электротехнической стали с малыми удельными потерями в габаритах 280 - 355, в увязке СЭВ, достижим и класс IE4.

В заключение следует добавить, что приведенные автором рассуждения апробированы на внедряемой энергоэффективной серии 7AVE.

7 AVE - первая в России полномасштабная серия ЭЭД

Также следует заметить, что предельный класс энергоэффективности для классического АЭД - это класс энергоэффективности IE4, который повсеместно достижим в увязке CENELEC при использовании современных активных материалов и технологий. Для класса энергоэффективности IE4 сервис-фактор Sf-1,3.

Поскольку в ГОСТ 31606—2012 увязка по варианту II - это и есть увязка CENELEC, никакого пересмотра нормативной базы для электромехаников не требуется. Другое дело, насколько готовы производители «рабочих механизмов» пересмотреть со своей стороны присоединительные и установочные размеры?

По-видимому, впереди будут те, кто больше заинтересованы в высокой энергоэффективности комплектного электропривода в целом. Заметим, что международный стандарт на энергоэффективность электромеханических систем в целом EN 50598-1,2,3 в настоящее время еще только разрабатывается.