В библиотеку
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ: ДАЛЬНИЕ ПЕРСПЕКТИВЫ
И ТЕНДЕНЦИИ РЫНКА
Аналитический обзор компании АВВ
Две трети электрической энергии, используемой в промышленности, реализуется с помощью систем привода с электрическими двигателями. Это послужило причиной, как в США, так и в Европейском Союзе предъявлять требования производителя по улучшению коэффициента полезного действия электродвигателей. Передовые конструктивные решения и материалы в сочетании с низким влиянием на окружающую среду в процессе эксплуатационного срока службы будут ключевой позицией для ведущих производителей в новом тысячелетии.
1 Введение
Асинхронный двигатель довольно старое изобретение, которое для многих уже стало предметом широкого потребления. Хотя двигатель является единственным наиболее крупным потребителем электрической энергии в промышленности, он до сих пор имеет значительную возможность для улучшения в области коэффициента полезного действия. Ежегодный экономический темп роста (по оценке мирового сбыта) составляет 4%, что отображает существенные деловые возможности для производителей [1].
Внедрение с конца 70-х годов управления скоростью вращения асинхронных двигателей возросло и также становится фактором мирового значения для (повышения) энергетического коэффициента полезного действия. На пороге нового тысячелетия, после более чем в 20-ти летнего опыта эксплуатации управляемых электродвигателей, тем не менее имеются некоторые новые возможности для улучшения их эксплуатационных характеристик в условиях применения у заказчика. К некоторым из них (можно отнести): разновидности основных (типоразмеров) асинхронных машин, разработку высокоскоростных (двигателей), передовые алгоритмы управления, объединение с механической частью (привода), эффективность современных систем управления.
В конечном счёте, даже если громадное большинство воздействий на окружающую среду как двигателей, так и различных приводов проявляется в течение их действительного срока службы – итоговое воздействие, тем не менее, является важным. При принятии благоприятных для окружающей среды принципов проектирования, полное воздействие за срок службы двигателя или привода может быть снижено за счёт подготовки материалов, (организации) процессов производства, фактического использования, а также вторичного использования в конце срока износа.
2 Почему энергетический коэффициент полезного действия имеет крайне важное значение для электродвигателей ?
2.1 Что имеет в виду классификация эффективности в Европейском Союзе ?
С 1 января 2000 года в Европейском Союзе – следуя за вступившим в силу в США с октября 1997 года, уже в качестве закона, актом классификации EPA (Environmental Protection Agency – Агенство по охране окружающей среды) – для двигателей переменного тока от 1,1 до 90 кВт введены три класса эффективности, основанные на соглашении между Европейской комиссией (European Commission) и Европейским комитетом производителей электрических машин и силовой электроники СЕМЕР (European Committee of Manufacturers for Electrical Machines and Power Electronics [2].
IEA Hi-Motors – двигатели высокого уровня по классификации Международного Энергетического Агенства (IEA); · - награды IEA DSM за высокое качество двигателей
Цель указанных классов эффективности проста – улучшить энергетическую эффективность промышленности. В 1998 г. 80% новых двигателей, отгруженных в Европейском Союзе, оставались еще в низшем классе – классе 3. Общая цель состоит в том, чтобы в 2003 г. только 20% отправленных двигателей было бы в низшем третьем классе.
АВВ, как лидер рынка и победитель IEA, награжденный в 1999 г. за двигатель высокой эффективности (рис. 1), занял лидирующее место в решающих разработках этой отрасли промышленности.
3 Что может быть сделано к 100-летию выпуска двигателей ?
3.1 Эффективность
Как отмечено ранее, асинхронный двигатель переменного тока в применениях для привода – единственный наиболее существенный потребитель энергии в промышленности. К тому же, в непромышленных применениях, подобных нагреванию, вентиляции и кондиционированию воздуха большая часть энергии фактически предполагает использование электродвигателей. Исследование, проведенное в США, показывает что до 45% энергии, расходуемой для кондиционирования воздуха в торговых зданиях, фактически потребляется различными двигателями.
Кроме того, действительность такова, что первоначальная стоимость электродвигателя относительно стоимости энергии очень низкая. В большинстве стран стоимость первых двух-трех месяцев электрифицированного использования двигателя равна его стоимости. Это, в сочетании с техническим обслуживанием, подобно повторению цикла (использования), предоставляет новые возможности в существующей базе установленного оборудования к дальнейшему снижению оплаты энергии в промышленности.
Посредством объединения исследования материалов, принципов проектирования и моделирования двигателей (группа компаний) АВВ была в состоянии сконструировать приемлемые по стоимости двигатели, которые не только удовлетворяют требованиям классификации Европейского Союза, но и превышают последние. Проект М3000, представляемый сейчас, возьмет следующий рубеж: результативно действующая группа АВВ будет первым производителем, который продает и поставляет (отгружает) двигатели только первого и второго IEC класса.
Высоко эффективные проекты фактически подтверждают и другие конкурентноспособные цели, которые имеет производитель. В частности, меньшие потери означают снижение требований к охлаждению, или потенциально, также большую мощность с того же размера (габарита), а в итоге – более конкурентноспособное изделие.
Дальнейшее исследование в области альтернативных материалов и методов производства в процессе его развития передвинет двигатели АВВ выше пределов классификации EU или EPA – в высший разряд классификации.
3.2 Низкий шум и вибрация
Общая стоимость использования – не единственная забота потребителя в промышленности. Низкий шум и вибрация при высоких скоростях, или при изменении скорости в процессе применения, становятся все более и более важными.
3.3 Применения при регулируемой частоте вращения
Известно, что прибавление преобразователя для регулирования частоты вращения оказывает дальнейшее впечатляющее улучшение коэффициента полезного действия используемого электродвигателя. В случае управления потоком – будут ли это вентиляторы или насосы – эти сбережения добавляют, как правило, до 40-50% от общей энергии. Фактически, в аэропорту Heathrow использование преобразователей частоты и двигателей АВВ снизило расход электроэнергии почти на 90% и в добавление к этому улучшило качество управления температурой и влажностью с целью улучшения окружающей среды для пассажиров.
В начале применения регулирования частоты вращения при значительных потерях в двигателе – особенно в то время, с довольно устарелыми преобразовательными источниками питания – технология едва была развита. Современные методы управления двигателем, подобные DTC (Direct Torque Control – прямое управление моментом) и управлению моментом двигателя в реальном времени могут успешно выполняться с высокой результативностью в большинстве случаев без использования тахометра.
В то же время введение быстродействующих силовых полупроводниковых устройств IGBT или IGBT в области средних напряжений поставило перед промышленностью новую сложную задачу – обеспечить сочетание привода и двигателя, что даст возможность надежно управлять высоким значением dv/dt в обмотках, также как и возможными несущими токами (или токами общего вида). Имеются решения, соответствующие различным потребительским применениям – изоляционный материал токовых цепей для новых двигателей и способствующие или обучающие технологии (алгоритмы) для существующих установок. Особенность состоит в том, что необходимость понимания сути всего пакета программ частотного управления двигателем переменного тока всегда становилась более важной.
4 Тенденции рынка
4.1 Требования покупателей
В последних рыночных опросах покупателей АВВ мы обнаружили достаточно простой список приоритетов для выбора поставщика. Номер первый – надежность, номер два – обеспечивать характеристики после продажи, то есть если требования заказчика поддерживают это, тогда должно быть 7 дней в неделю при 24 часах в день. Фактически, для наших покупателей эти два требования могут быть изложены проще одним словом – готовность выполнения технологического процесса. В этом ключ для понимания ими конкурентноспособности на их собственном рынке.
Тогда, что улучшает надежность двигателя или сочетания преобразователь-двигатель ? Основное конструктивное решение и качество изготовления являются предпосылками, однако способность производителя понимать требования применения сейчас становится более важной. Итак, основные тенденции, связанные с сокращением количества составляющих деталей, благодаря объединению полупроводника и гибридного композиционного материала, а также с применением более робастных (устойчивым к нежелательным, но возможным воздействиям) систем управления, за счет более быстрого (в темпе реального времени) регулирования, как и следовало ожидать, улучшили надежность систем привода в течение нескольких последних лет.
4.2 В чем состоят благоприятные возможности ?
В области высоких мощностей, в которой приводы с регулируемой скоростью были первоначально введены в употребление, коэффициент внедрения – процент двигателей, имеющих частотное управление, вырос до довольно существенной двузначной цифры. В то же время, соответствующие цифры в области низших габаритов составляют только несколько процентов. Почему это происходит ?
Это вынуждалось простой экономикой прошлого – стоимостью на 1 кW добавления преобразователя частоты переменного тока, особенно если нужно было заменить также и двигатель, то есть не давало достаточной окупаемости (затрат). В настоящее время это изменяется несколькими способами.
Более низкая стоимость основного изделия со временем очевидна. Затем подходит (очередь) общей стоимости всей системы. Благодаря идеям, подобным Integral Motor Co для потребителя значительные затраты могут быть снижены на монтаж, также как и на помещение для установки. Далее, нововведение подобное концевому обтекателю привода вентилятора (Рис.3), который действительно является существенным высоко эффективным вентилятором с регулируемой частотой вращения. Последний несомненно является уникальным решением для потребителя, который прежде нуждался в вентиляторе, двигателе и передаче, а теперь может получить это в едином комплексе, размер которого не больше вентилятора.
В более высоких диапазонах мощности также существуют подобные примеры. Возьмем Azipod, способный к повороту на 360о тяговый двигатель, который имеет электродвигатель, объединенный непосредственно с гондолой.
Другие полезные направления для потребителей включают использование основного физического соотношения между моментом и мощностью. Путем применения технологических решений в области высоких скоростей, вплоть до мегаваттного диапазона по мощности, существенное сокращение размеров электродвигателей может быть достигнуто, например, в использовании компрессорных установок. Напротив, в проектах с низкой частотой вращения двигатель будет крупнее, однако это может полностью устранить необходимость в редукторе и, кроме того, представить существенное пространство в системе привода и выгоду в стоимости для потребителя.
Наконец последний блок энергетической эффективности, преобразователь частоты переменного тока с электродвигателем в последние годы стал даже более эффективным (по величине коэффициента полезного действия). Действительно, текущие исследования АВВ и программы развития в сочетании с потребительскими отчетами об исследованиях и инспектированиях указывают, что появляется новый важный рыночный сектор – рынок замен. Это происходит, когда вместо новой установки или даже ремонта (где управление переменной частотой вращения добавлено к существующему применению постоянной скорости), имеющееся сочетание преобразователь переменного тока – двигатель удаляется и заменяется самым последним поколением АВВ частотного преобразователя и двигателя с высоким коэффициентом полезного действия. Путем надлежащего всеобъемлющего решения подсчитано, что при существующем оборудовании уже менее чем через 2 года затраты возвращаются. И это только начало !
5 Что мы предлагаем ?
5.1 Рыночные изменения в последние годы
При управлении движением или применении следящих систем двигатели с нестандартными постоянными магнитами или с переключением магнитной проводимости уже использовались в течение некоторого времени. Это поддерживалось путем управления рабочими характеристиками – перед эпохой DTC (управление с помощью цифровой техники) – также как и требованиями к моменту, скорости, габариту. То же самое действительно для применений в последние годы приводов, подобных элеваторным.
Интересен факт, что в некоторых странах с высокой стоимостью энергии применения даже вентиляторов и насосов начало появляться вместе с двигателями на постоянных магнитах, имеющих высокий коэффициент полезного действия.
5.2 К чему стремится АВВ ?
Мы в АВВ надеемся не только на расширение проектирования специальных электродвигателей, но уже активно их испытываем с выбранными потребителями. Наши интересы сосредоточены не на том, чтобы приводить доводы за один основной тип (разработки) по сравнению с другим, но в том, чтобы найти наиболее конкурентноспособное решение для конкретных применений. Это касается основной конструкции двигателя (иногда отдельно для ротора и статора), оптимальных (активных и инертных) материалов, диапазона скорости/момента, методов охлаждения (иногда объединенных должным образом в применении). Надежность и работа при самой низкой стоимости возможного цикла использования – вот, что мы хотели бы предложить.
6 Декларации, относящиеся к борьбе с загрязнением окружающей среды при изготовлении и эксплуатации изделий
6.1 Что представляют собой декларации
Декларация об охране окружающей среды представляет собой структурированный способ оценивания влияния срока службы изделия на окружающую среду. Оценка осуществляется по предварительно согласованным метрикам и ее может удостоверить только независимый специалист.
Даже в случае, где до 99% нагрузки на окружающую среду изделий подобных электродвигателям или приводам создается благодаря использованию энергии, мы в АВВ решили, что благоприятные по отношению к окружающей среде проекты от выбора материала и источника снабжения до принципов проектирования, методов производства и пригодности к переработке для вторичного использования – ключ к поддержанию и укреплению нашего лидирующего положения. Фактически мы верим, что знание и опыт, созданные теперь, помогут нам также в замене рынков, где мы предвидим себя также в качестве специалистов по переработке к вторичному использованию изделий старой технологии. Эти ожидания полностью поддерживаются недавним отчетом об обследовании потребителей, проведенном со значительным числом скандинавских покупателей.
6.2 Исследования АВВ, проведенные на отдельных примерах
Первоначальные примеры, проистекающие из рассмотрения декларации о влиянии продукции на окружающую среду, включают новое проектное решение электрической машины, которое сократило влияние срока службы нагрузки на окружающую среду на 11% за счет более высокого коэффициента полезного действия; окраски, не содержащей раствора битума в органическом растворе (безбитумную окраску) и лучшей пригодности к переработке без вторичного использования.
Другой пример – новый ACS400 типовой преобразователь частоты – изделие, которому свойственно снижать нагрузку на окружающую среду в продолжении использования срока службы, эквивалентную 50-100 кратной разности нагрузки на среду между производством и вторичным использованием. Это должно быть довольно близко к определенному количеству стационарного оборудования (когда-либо произведенного), наиболее благоприятного в отношении окружающей среды. Чем больше этого оборудования в работе, тем лучше будет исключена (из рассмотрения) окружающая среда.
Эти ранее полученные результаты будут поддержаны каждым новым изделием в наших приводах и двигателях, реализующих те же самые строгие принципы окружающей среды и (принципы) установленные Декларацией о влиянии промышленных изделий на окружающую среду (об охране окружающей среды). Мы (АВВ Motors and Drives), верим, что являемся первыми и лидерами в настоящий момент, но также надеемся, что и другие должны будут следовать за нами.
7 Выгодные для потребителей технические решения
7.1 Выработка электроэнергии за счет ветра
Одна из наиболее быстро растущих сфер применения электрических машин сегодня – ветряные двигатели.
Скорость роста в течение последних лет была близка к 40% и ожидается, что мощность (их) увеличится к концу 2004 г. с 14 Гвт до 50 Гвт. Основной стимулятор рынка – растущее осознание необходимости чистой окружающей среды, а энергия ветра рассматривается как дополнение к (мерам по) снижению выделений двуокиси углерода. Политическая готовность для поддержки технологии ветроэнергетики была благоприятной для возврата к чистой окружающей среде.
Быстро растущий рынок поставит новые задачи в области технологических решений по генераторам ветродвигателей, приводам с частотным управлением скорости, а также по общей концепции для того, чтобы создать надежные, высокоэффективные и целесообразные по стоимости решения, как для ветродвигателей, так и ветроэнергетических центров.
Классическое представление о генераторах ветроэнергетических установок в начале 90-х годов заключалось в типовых асинхронных генераторах для одной или двух скоростей в диапазоне мощностей приблизительно 200 кВт. Выход (установки) через повышающий трансформатор подключался непосредственно к электрической системе. Поскольку мощность увеличивалась, то в середине 90-х годов были введены системы управления скоростью вращения. Рациональная по стоимости идея (установки) включала генератор двойного питания со скользящими кольцами на валу ротора и электронный преобразователь, который обеспечивал подачу мощности возбуждения через кольца. Между (ветряной) турбиной и генератором использовался редуктор ступенчатого изменения (скорости).
Номинальная мощность ветроэнергетических установок все еще увеличивается и сегодня установки с номинальной мощностью вплоть до 1,5 Мвт являются общепринятыми. Имеются даже планы дальнейшего увеличения в будущем номинальной мощности до 2,3 Мвт. Это породит новые технологические идеи. Тенденция состоит в использовании непосредственно приводимых во вращение мало скоростных генераторов с постоянными магнитами совместно с преобразователями частоты для того, чтобы повысить надежность, исключить редуктор и уменьшить механическую нагрузку на лопасти и башню. Могут вводиться даже системы передачи постоянного тока при передаче большой мощности от нескольких ветроэнергетических объектов до электрической системы, куда расстояние велико, например, от береговых установок.
АВВ разработала новую систему WindformerTM”для крупномасштабного производства и передачи энергии ветра, основывающейся на высоком уровне оптимизации комплекса. Генератор базируется на технологических решениях (системы) “PowerformerTM”. Новая технология использования энергии ветра делает ветровые установки конкурентноспособными с обычными большими электростанциями. (Система)“WindformerTM” увеличивает выходную мощность до 20% и может сократить затраты на техническое обслуживание и ремонт за время срока службы на половину [3].
7.2 Безредукторный привод
Высокоскоростные двигатели с постоянными магнитами могут быть использованы для приведения во вращение установки непосредственно без понижающего/повышающего (скорость) редуктора, что означает значительное сбережение капитальных и эксплуатационных затрат.
АВВ (Со) завершила успешный эксперимент с (участием) потребителя, используя двигатель с постоянными магнитами, снабженный DTC регулятором (системой непосредственного управления моментом).
7.3 AzipodR
АВВ (Со) имеет давние традиции, связанные с поставкой тягового оборудования для судов. Системы постоянного тока Ward-Leonard были классическими в течение долгого времени. В начале 80-х годов были введены системы переменного тока с частотным управлением скорости. Электрические силовые установки использовались, в основном, для ледоколов, кабелепрокладочных суден, суден с землечерпальным устройством (драг), подводных лодок и танкеров. В 1987 году была введена новая концепция – “Azipod”.
“Azipod” представляет собой подвешенный в обтекателе (гондоле) тяговый электродвигатель, расположенный в задней части судна, причем подвеска может вращаться в пределах 360 градусов. Эта идея дает несколько преимуществ при проектировании судна, таких как превосходная маневренность, низкий уровень вибрации, заметная экономия пространства и массы. Двигатель может быть или асинхронным для малых установок (200…500 кВт), или синхронным – для больших (2…20 МВт). Рынок сбыта для приводов “Azipod” увеличивается. “Azipod” был впервые внедрен на танкерах, а затем успешно и на круизных судах.
При проектировании подвесных приводов размер двигателя оказывает большое влияние на результирующий коэффициент полезного действия гребного винта. Следует добавить, что пространство, требуемое для системы охлаждения внутри и вокруг подвески, является важным вопросом при проектировании эффективной системы подвесного тягового привода. Основная цель в разработке двигателя состоит в снижении общего диаметра и потерь (энергии) в двигателе для того, чтобы увеличить результирующий коэффициент полезного действия силовой установки. Проект синхронного двигателя с постоянными магнитами на роторе даст несколько преимуществ: потери в роторе оказываются небольшими, общий коэффициент полезного действия выше, а полный диаметр может быть снижен.
Компактный “AzipodR” от 400 кВт и до 5 МВт включает в себя синхронный двигатель с постоянными магнитами и имеющий фиксированный шаг гребной винт, установленный непосредственно на валу. Частотный преобразователь прямого управления моментом (DTC) обеспечивает точное регулирование скорости и момента. Идея проекта позволяет создавать тягу во всех направлениях.
Внедрение тягового привода “Azipod” создало новый рынок для электрических машин и, в качестве применения, способствует развитию современных электрических машин.
Перечень ссылок
[1] Goulden Reports Year 2000 and United Nations
[2] ABB Mall on the Internet / Education Centre
[3] ABB Press Release June 8th 2000