06 марта 2016г.
Около 60% потребляемой в промышленности электроэнергии тратится на электропривод рабочих машин. При этом основными потребителями электроэнергии являются электродвигатели переменного тока. В зависимости от структуры производства и характера технологических процессов доля энергопотребления асинхронных двигателей составляет 50…80%, синхронных двигателей 6…8%. Совокупный КПД электродвигателей составляет около 70%, поэтому уровень их энергоэффективности играет значительную роль в решении задачи энергосбережения.
В сфере разработки и производства электродвигателей с 01.06.2012 г. введен в действие национальный стандарт ГОСТ Р 54413-2011 [1], основанный на международном стандарте IEC 60034-30:2008 [4] и устанавливающий четыре класса энергоэффективности двигателей: IE1 – нормальный (стандартный), IE2 – повышенный, IE3 – премиум, IE4 – супер-премиум. Стандартом предусмотрен ступенчатый переход производства на более высокие классы энергоэффективности. С января 2015 г. все выпускаемые электродвигатели мощностью 0,75…7,5 кВт должны иметь класс энергоэффектиности не ниже IE2, а 7,5…375 кВт – не ниже IE3 или IE2 (с обязательной комплектацией преобразователем частоты). С января 2017 г. все выпускаемые электродвигатели мощностью 0,75…375 кВт должны иметь класс энергоэффектиности не ниже IE3 или IE2 (допускается при работе в частотно-регулируемом приводе).
В асинхронных двигателях повышение энергоэффективности достигается [2, 5, 6]:
- Применением новых марок электротехнической стали с меньшими удельными потерями и меньшей толщиной листов сердечников.
- Уменьшением воздушного зазора между статором и ротором и обеспечением его равномерности (способствует снижению намагничивающей составляющей тока обмотки статора, уменьшению дифференциального рассеяния и снижению электрических потерь).
- Снижением электромагнитных нагрузок, т.е. увеличением массы активных материалов при уменьшении количества витков и увеличении сечения проводника обмотки (приводит к снижению сопротивлений обмоток и электрических потерь).
- Оптимизацией геометрии зубцовой зоны, применением современной изоляции и пропиточного лака, новых марок обмоточного провода (увеличивает коэффициент заполнения паза медью до 0,78…0,85 вместо 0,72…0,75 в электродвигателях стандартной энергоэффективности). Приводит к снижению сопротивлений обмоток и электрических потерь.
- Применением меди для изготовления короткозамкнутой обмотки ротора взамен алюминия (приводит к снижению электрического сопротивления обмотки ротора на 33% и соответствующему снижению электрических потерь).
- Применением высококачественных подшипников и стабильных маловязких смазок, выносом подшипников за пределы подшипникового щита (улучшает обдув подшипников и теплоотдачу, снижает уровень шума и механические потери).
- Оптимизацией конструкции и производительности вентиляционного узла с учетом меньшего нагрева электродвигателей повышенной энергоэффективности (снижает уровень шума и механические потери).
- Применением более высокого класса нагревостойкости изоляции F при обеспечении перегрева по классу В (позволяет избежать переустановленной мощности в приводе с систематическими перегрузками до 15%, эксплуатировать двигатели в сетях с существенными колебаниями напряжения, а также при повышенной температуре окружающей среды без снижения нагрузки).
- Учёт при проектировании возможности работы с преобразователем частоты.
Серийное производство энергоэффективных двигателей освоено такими известными фирмами как Siemens, WEG, General electric, SEW Eurodrive, ABB, Baldor, MGE-Motor, Grundfos, ATB Brook Crompton. Крупным отечественным производителем является Российский электротехнический концерн «РУСЭЛПРОМ».
Наибольшего повышения энергоэффективности удается достичь в синхронных двигателях с постоянными магнитами, что объясняется отсутствием основных потерь в роторе и использованием высокоэнергетических магнитов. В роторе, ввиду отсутствия обмотки возбуждения, выделяются только добавочные потери от высших гармонических в сердечнике ротора, постоянных магнитах и короткозамкнутой пусковой обмотке. Для изготовления постоянных магнитов ротора используется высокоэнергетический сплав на основе неодима NdFeB, магнитные параметры которого в 10 раз выше ферритовых магнитов, что обеспечивает значительное повышение КПД. Известно, что КПД большинства синхронных двигателей с постоянными магнитами соответствует классу энергоэффективности IE3 и в ряде случаев превышает IE4.
К недостаткам синхронных двигателей с постоянными магнитами относятся: снижение КПД с течением времени из-за естественной деградации постоянных магнитов и их высокая стоимость.
Срок службы постоянных магнитов составляет 15…30 лет, однако вибрации, склонность к коррозии при повышенной влажности и размагничивание при температурах 150° С и выше (в зависимости от марки) могут уменьшить его до 3...5 лет.
Крупнейшим производителем и экспортером редкоземельных металлов (РЗМ) является Китай, владеющий 48% мировых ресурсов и обеспечивающий 95% мировых потребностей. В последние годы Китай значительно ограничил экспорт РЗМ, образуя их дефицит на мировом рынке и поддерживая высокие цены. Россия владеет 20% мировых ресурсов РЗМ, однако их добыча составляет лишь 2% мировой добычи, а производство изделий из РЗМ менее 1%. Таким образом, в ближайшие годы цены на постоянные магниты будут высокими, что отразится на стоимости синхронных двигателей с постоянными магнитами.
Ведутся работы по снижению стоимости постоянных магнитов. Национальным институтом материаловедения NIMS (Япония) разработана марка постоянных магнитов на основе неодима NdFe12N с меньшим содержанием неодима (17% вместо 27% в NdFe12B), лучшими магнитными свойствами и высокой температурой размагничивания 200°С [7]. Известны работы по созданию постоянных магнитов без редкоземельных металлов на основе железа и марганца, имеющих, лучшие характеристики, чем с редкоземельными металлами и не размагничивающиеся при высокой температуре.
Синхронные двигатели с постоянными магнитами класса энергоэффективности IE4 производят: WEG, Baldor, Marathon Electric, Nova Torque, Grundfos, SEW Eurodrive, WEM Motors, Bauer Gear Motor, Leroy Somer, Mitsubishi Electric, Hitachi, Lafert Motors, Lönne, Hiosung, Motor Generator Technology, Hannig Electro-Werke, Yaskawa.
Современные серии электродвигателей адаптированы для работы с преобразователями частоты и имеют следующие конструктивные особенности: обмоточный провод с двухслойной нагревостойкой витковой изоляцией; изоляционные материалы, рассчитанные на напряжения до 2,2 от номинального; электрическая, магнитная и геометрическая симметрия электродвигателя; изолированные подшипники и дополнительный болт заземления на корпусе; принудительная вентиляция при глубоком диапазоне регулирования; установка высокочастотных синусоидальных фильтров.
Такие широко известные на рынке производители как Grundfos, Lafert Motors, SEW Eurodrive для повышения компактности и уменьшения габаритов частотно-регулируемого привода производят электродвигатели, интегрированные с преобразователями частоты.
Стоимость энергоэффективных электродвигателей в 1,2…2 раза больше стоимости электродвигателя стандартной энергоэффективности, поэтому срок окупаемости дополнительных затрат составляет 2…3 года в зависимости от среднегодовой наработки [3].
Список литературы
1. ГОСТ Р 54413-2011 Машины электрические вращающиеся. Часть 30. Классы энергоэффективности односкоростных трехфазных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором (код IE).
2. Сафонов А.С. Основные мероприятия по повышению энергоэффективности электрооборудования АПК // Тракторы и сельхозмашины. № 6, 2014. с. 48-51.
3. Сафонов А.С. Применение энергоэффективных электродвигателей в сельском хозяйстве // Труды II Международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы науки и техники», выпуск II. Россия, г. Самара, 7 апреля 2015. ИЦРОН, 2015. С. 157-159.
4. Стандарт IEC 60034-30:2008 Машины электрические вращающиеся. Часть 30. Классы КПД односкоростных трехфазных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором (код IE).
5. Шумов Ю.Н., Сафонов А.С. Энергоэффективные асинхронные двигатели с медной обмоткой ротора, отлитой под давлением (обзор зарубежных публикаций) // Электричество. № 8, 2014. с. 56-61.
6. Шумов Ю.Н., Сафонов А.С. Энергоэффективные электрические машины (обзор зарубежных разработок) // Электричество. № 4, 2015. с. 45-47.
7. NIMS team develops new magnetic compound with lower neodymium content. October 2014. http://www.greencarcongress.com/2014/10/20141020-nims.html
