НАЗАД В БИБЛИОТЕКУ

 Вербовий А.П.. Вербовий П.Ф., Щокін А.Р.

АСИНХРОННІ ДВИГУНИ З ПОКРАЩЕНИМИ ПУСКОВИМИ, РЕГУЛЮВАЛЬНИМИ І ДИНАМІЧНИМИ ВЛАСТИВОСТЯМИ.

1. Енергозбереження — державне завдання

    В зв'язку з різким підвищенням цін на паливно-енергетичні ресурси (ПЕР) питома вага їх у собівартості продукції досягла 30-50%. Це у декілька разів перевищує аналогічні показники закордонних фірм і призводить до випуску неконкурентоспроможної продукції як на внутрішньому, так і на зовнішньому ринках. Високий рівень залежності національної економіки від зовнішніх джерел енергопостачання (близько 50%), постійне зростання цін на ПЕР потребують негайного вирішення проблем енергозбереження. Сьогодні проблема енергозбереження переросла в проблему національної безпеки держави. Тому енергозбереження визнано одним із пріоритетних напрямків державної політики України і має реалізуватися як довгострокова та чітко спланована програма дій.

2. Безмежне та безтермінове джерело енергозбереження

    З різних причин в програмні документи держави, в тому числі в "Комплексну державну програму енергозбереження України", не ввійшла найширша область використання електроенергії, яка пов'язана з перетворенням її в механічну. Близько 60% електроенергії, що виробляється, перетворюється в механічну за допомогою електричних двигунів.

Серед них найбільше застосування знаходять асинхронні двигуни (АД). Вони є найбільш простими, дешевими та надійними в експлуатації. В такому вигляді АД використовуються для ЕП машин і механізмів в усіх галузях промисловості, агропромисловому комплексі, комунальному господарстві, на транспорті та в побуті. Асинхронні двигуни загальнопромислового призначення спроектовані в оптимальних варіантах і призначені для тривалої роботи в номінальному режимі при постійній частоті обертання. В промисловості України в експлуатації знаходиться близько 6 млн. шт. АД, а в агропромисловому комплексі - 5,1 млн. шт. Взагалі в суспільному виробництві України експлуатуються десятки мільйонів  АД. Тому навіть незначне покращення техніко-економічних показників і властивостей АД в масштабах держави дає значну економію електроенергії та забезпечує солідний економічний ефект.

 3. Переваги регульованого електроприводу

    Подальший прогрес в усіх сферах діяльності людства пов'язаний з використанням регульованого електроприводу (РЕП). Його частка в країнах СНД складає декілька відсотків, в той час як в США вона становить 40, а в ФРН - 50 %. Використання РЕП дає такі переваги:

        -       розв'язання задач подальшої механізації та автоматизації виробництв;

        -       вдосконалення існуючих та розробки нових технологічних процесів;

        -       зниження собівартості, підвищення якості та конкурентоспроможності продукції на внутрішньому та зовнішньому ринках;

        -       досягнення суттєвого ресурсо- та енергозбереження;

        -       зростання продуктивності, досягнення оптимальних режимів роботи обладнання, машин і механізмів, підвищення надійності та збільшення термінів безвідмовної їх роботи, зменшення витрат на експлуатацію та ремонтзменшення кількості випуску недоброякісної та бракованої продукції;

        -       скорочення імпорту обладнання і технологій;

        -       розширення ринку збуту продукції;

        -       розв'язання соціальних та інших проблем.

4. Недоліки АД загальнонромислового призначення

        Разом з позитивними властивостями АД зі звичайним короткозамкненим ротором не пристосовані для живлення від сучасних тиристорних перетворювачів, для використання в ЕП з інтенсивними динамічними режимами роботи, тяжкими умовами пуску, розгону великих махових мас, регулюванням частоти обертання. Вони мають 6-7-ми кратні пускові струми та потужності, що споживаються в повторно-короткочасних режимах роботи (часті пуски, гальмування, реверси, повторні вмикання і т.п.). Великі кратності пускових струмів у динамічних режимах роботи призводять не тільки до швидкого нагріву, але й до значних електродинамічних зусиль між витками та секціями обмоток, взаємному їх переміщенню, тертю, пробою ізоляції та виходу із ладу не тільки АД, а й часто апаратури керування та кабельних ліній електропередач, підгоранню контактних з'єднань, пошкодженню машин і механізмів, недовипуску продукції, значних економічних втрат. Невідповідність властивостей та характеристик АД загально-промислового призначення зростаючим вимогам різноманітних технологічних процесів на виробництвах призводить до виходу із ладу впродовж року близько 10% усіх встановлених в експлуатацію АД. В агропромисловому комплексі середній термін служби АД складає 3 роки.

5. Необхідність зміни технічної політики

        Іншим аспектом проблеми є те, що низькі ціни на ПЕР у свій час призвели до значного завищення масогабаритних показників машин і механізмів, в тому числі елементів ЕП. Потужність АД при цьому завищувалась в 1,5-3 рази. Тому зараз більшість АД працюють з недовантаженням від 30 до 70% і при понижених енергетичних показниках (коефіцієнтах корисної дії та потужності   cosφ). Тобто такі АД споживають більшу кількість електроенергії, ніж це потрібно в кожному конкретному випадку. Проблемою обстеження та заміною таких двигунів займається багато спеціалістів, які розробили низку рекомендацій в цьому напрямку. Але ці рекомендації та часткові заходи не вирішують проблеми взагалі.
       Крім того, в період застою та зниження рівня виробництва виявилась велика кількість морально застарілого та фізично зношеного обладнання, устаткування, машин і механізмів. Більшість технологічних процесів базується на високих енергетичних витратах і потребує вдосконалення або повної заміни.
       Тому при розробці нового обладнання необхідно припинити завищення масогабаритних показників і закладати в проекти РЕП з використанням нових АД.

        6. Стан проблеми з РЕП

        В залежності від призначення, діапазону регулювання, потужності та багатьох інших чинників може бути використаний той чи інший тип РЕП. На протязі 35 років вважалось, що найбільш перспективним був РЕП з тиристорним перетворювачем частоти (ТПЧ). Але наскільки довготривалим було очікування на розробку ТПЧ, настільки значним стало розчарування після створення прийнятих до експлуатації ТПЧ. Ці розчарування полягають в слідуючих недоліках РЕП з використанням ТПЧ:

        -       спотворення форми кривих напруги і струму призводять до погіршення енергетичних та інших техніко-економічних показників РЕП;

        -       як і в усіх інших, РЕП по схемі з ТПЧ необхідно завищувати габарит двигуна. Так, при f/f_н = 0,2 момент на валу АД зменшується до М/М_н   = 0,5. Якщо врахувати, що потужність двигуна пропорційна добутку моменту на швидкість, то при f = 10 Гц маємо P₂ = 0,5M_н∙0,2n_н= 0,1∙P_2н тобто потужність складає менше 10% номінальної (якщо врахувати ще зниження ККД);

        -       створені повністю керовані IGBT-інвертори перетворюють вихідну напругу в серію прямокутних імпульсів високої частоти з крутим фронтом, що призводить до негативного впливу на ізоляцію АД і виходу його з ладу через 2-3 роки;

        -       об'єктивні переваги і недоліки ТПЧ настільки нівельовані, що споживач і більшість спеціалістів не в змозі орієнтуватись в них і в першу чергу звертає увагу на ціну.

        З метою "завоювання" ринку і подальшого володіння ним зарубіжні фірми заполонили Україну своїми представництвами та продають нам РЕП з ТПЧ за півціни (приблизно 250$ за один кіловат потужності). Тридцятикіловатний РЕП в такому випадку коштує Цеп = 250∙30 = 7500 $, або 7500∙5,5 = 41250 грн.
       Зазначимо, що вартість одного кіловата потужності, наприклад, німецьких АД, складає близько 200 DM, а вартість одного кіловата потужності ТПЧ в 5-10 разів вища. Якщо взяти середню цифру вартості, то в перспективі нас чекає вартість тридцятикіловатного РЕП з ТПЧ ціною

Ц_еп = 30∙200∙7,5 = 45000 DM

або Ц_еп = 45000∙2,5 = 112000 грн.

        Для хоча б часткового розв'язання проблеми РЕП в Україні шляхом використання так званого частотного приводу не вистачить всього бюджету держави. Некомпетентне або суб'єктивне (на користь приватних фірм) наполягання в цьому напрямку не тільки є невірним, а й шкідливим. Воно може призвести до гальмування економічного розвитку держави. Безумовно, це треба освідомити і сприяти розвитку інших позитивних напрямків вирішення проблеми.

7. Можливі шляхи вирішення проблеми РЕП

        Вирішення проблеми РЕП. підвищення надійності, строків безвідмовної роботи та зниження експлуатаційних затрат полягає в серійному освоєнні АД з покращеними пусковими, регулювальними та динамічними властивостями. Ці властивості досягаються заміною звичайного короткозамкненого ротора АД на ротор з нелінійними електромагнітними параметрами, які забезпечують механічну характеристику без явно-вираженого максимуму. В такому випадку регулювання частоти обертання (кутової швидкості) здійснюється за допомогою тиристорних регуляторів напруги (ТРИ), які на порядок дешевші ТПЧ, простіші щодо схемного та конструкційного виконання, значно надійніші в експлуатації. Регульований ЕП за схемою ТРН-АД забезпечує такі режими роботи:

    -       керований пуск в обидві сторони з досягненням

номінальної чи будь-якої іншої наперед заданої частоти обертання з можливістю обмеження величини струму;

    -       керований реверс при будь-якій частоті обертання;

    -       регулювання частоти обертання вверх і вниз в діапазоні від нуля до підсинхронних обертів;

    -       динамічне гальмування в функції частоти обертання з регульованою інтенсивністю;

    -       перехід на понижену частоту обертання в режимі вибігу та в інтенсивному режимі за рахунок введення режиму динамічного гальмування;

    -       стабілізацію частоти обертання з максимальною жорсткістю регулювальних механічних характеристик.

        Крім зазначеного, в схемах керування передбачені всі необхідні види захисту та контролю основних показників і параметрів.

8. Результати попередніх досліджень

        До цього часу розроблено, виготовлено, досліджено в лабораторних умовах, проведено дослідно-промислову перевірку шести класів АД з нелінійними електромагнітними параметрами, в тому числі:

    -       з нелінійними електромагнітними параметрами стержнів і короткозамкнених кілець;

    -       з фазними обмотками та додатковими активними, реактивними та напівпровідниковими елементами;

    -       з масивними феромагнітними роторами і різними модифікаціями їх;

    -       з багатошаровими роторами;

    -       з індукційними реостатами в колі фазної та короткозамкненої обмоток роторів;

    -       з багатопакетними конструкціями роторів.

        Пускові струми АД з такими роторами зменшено в 1,5-2 рази, добротність пуску (відношення пускового моменту до пускового струму) покращено в 2 рази. Механічна характеристика не має явновираженого максимуму, що дозволяє проводити регулювання частоти обертання в широкому діапазоні як при живленні від ТПЧ, так і від ТРИ. Використання примусової комутації тиристорів дозволяє регулювати коефіцієнт потужності на вході ЕП, тобто зменшити до нуля споживання реактивної потужності, знизити струми в мережі на 30%, втрати потужності на 50%.
       Для оцінки динамічних властивостей нових АД з нелінійними електромагнітними параметрами необхідно відмітити таке. При живленні від ТРИ двигун зі звичайним короткозамкненим ротором (з номінальним струмом   I_1н = 33А) починає запускатися на холостому ході при струмі 65А і сам пуск продовжується 1,24 с, в той час як той же двигун з двопакетним ротором запускається за 0,82 с при струмі 42 А. При цьому впродовж одного пуску потужність, що споживається АД, знижується в 1,5 рази, а електроенергія - в 2,3 рази. Час динамічного гальмування тих же двигунів складає відповідно 0,55 і 0,31 с при відповідному зниженні електроенергії, що споживається.  Одночасно знижуються  втрати  потужності  в двигуні (I_2r) в 2,5 рази, а енергія, яка виділяється і йде на нагрів (І_2r∙t), зменшується в 3,5 рази.

        Зазначені показники не тільки характеризують зменшення споживання електроенергії в динамічних режимах роботи АД, а й підтверджують покращення в 1,5-1,8 рази такого важливого показника ЕП, як швидкодіючість. При цьому одночасно зменшуються електродинамічні зусилля та моменти на активних елементах двигунів і механічні навантаження на рухомих елементах всього обладнання, підвищується їх надійність.

        Встановлено також, що розроблені АД при живленні від ТПЧ працюють більш стабільно і в більш широкому діапазоні частот вихідної напруги, ніж АД з короткозамкненим ротором. Тобто нові двигуни можуть бути використані й у частотному ЕП з більш ефективними показниками.

Розроблені нові схеми (на рівні авторських свідоцтв і патентів» одношарових і двошарових обмоток з перемиканням полюсів. Для турбомеханізмів виготовлені та експериментально досліджені нові зразки АД. Встановлено, що на вищій частоті обертання номінальна потужність нових двигунів підвищена на 18,3-34,4%, що дозволяє в ряді випадків зменшити габарит двигуна на один ступінь. Для нижньої частоти обертання пускові струми та потужності знижені в 3-4 рази у порівнянні з такими ж показниками серійних двигунів. Це поліпшує умови запуску, забезпечує зменшення витрат у двигуні та в мережі, підвищує надійність роботи двигуна, пускової апаратури та механізму.

9. Дослідно-промислова перевірка

        В минулі роки виконано значний обсяг робіт щодо дослідно-промислової перевірки розроблених АД. Одержані позитивні результати, що підтверджено 35-ма актами впровадження з двостороннім затвердженням. Серед них:

-       в ПО "Кіровський завод" (м. Санкт-Петербург) дводвигунний РЕП на діючому конвеєрі з економічним ефектом 127 тис. руб. на рік (в цінах колишнього Радянського Союзу); п'ятидвигунний РЕП міжцехового конвеєру з економічним ефектом 61,3 тис. руб. на рік; РЕП ковально-пресової машини з економефектом 50 тис. руб. на рік;

-       на Баглійському коксохімічному заводі (м. Дніпродзержинськ) РЕП центрифуги АГ-1800-ЗК з економефектом 25 тис. руб. на рік;

-       на заводі "Кузбаселектромотор" розроблені вибухозахисні АД типів ВА082-6/8Р і ВА092-6/8Р з економефектом 17,4тис. руб. нарік;

-       в Житомирському ВО РЕП лінії первинної обробки льо¬ну з економефектом 79,5 тис. руб. на рік;

-       в ВО "Торфотехніка" (м. Іваново) РЕП ходової частини гусеничного крана МТК-16 з економефектом 760 руб. на рік:

-       в "Південенерголегпромі" 6 зразків АД для ЕП димо¬сосів котелень з економічним ефектом 17,8 тис. руб. на рік;

-       на п/с А-3700 (м. Санкт-Петербург) чотиридвигунний РЕП для кільцевої багатоповерхової гнучкої виробничої системи з економефектом 94,96 тис. руб. на рік;

-       на Орловському сталепрокатному заводі, п/с Р-6462 (м. Бійськ), Московському метрополітені, Дарницькому шовковому комбінаті, п/с А-1297 (м. Єкатеринбург), п/с А-3700 і п/с А-7523 (м. Санкт-Петербург) та інших підприємствах.

10.     Області застосування

        Регульований ЕП за схемою ТРН-АД рекомендується практично для всіх машин і механізмів з незначним діапазоном регулювання, для одержання короткочасних знижених (заправних) частот обертання, намотувальних механізмів, для кранів, підйомників, турбомеханізмів (насосів, вентиляторів, компресорів, димососів і т.п.) в усіх галузях промисловості, сільському та комунальному господарствах, на транспорті та в побуті.
       Нові АД призначені також для ЕП з повторно-короткочасними та інтенсивними динамічними режимами роботи (частими пусками, гальмуваннями, реверсами, повторними вмиканнями, коливаннями навантаження), тяжкими умовами пуску, розгону великих махових мас і т.п.
       На діаграмі наведено зростання економічного ефекту від впровадження розроблених двигунів, наприклад, для ліфтів.

11. Техніко-економічні показники

        Ефективність від використання нових двигунів і РЕП з такими АД досягається за рахунок їх переваг, які перераховані в розд. 3. Економію електроенергії, яку можна отримати, підрахуємо на прикладі використання РЕП для турбомеханізмів. Останні характеризуються тим, що при зниженні частоти обертання момент опору на валу АД знижується

М_сп = М_сн(n_п/n_н)^к

    де М_сп, М_сн, n_п, n_н – поточні (п) та номінальні (н) значення моменту опору та частоти обертання.

    к - коефіцієнт, що характеризує зміну моменту опору при зниженні частоти обертання (к = 2 - 3 ).

        На рисунку показані залежності зниження споживання активної потужності від частоти обертання при двох значеннях показника степеня.
       З врахуванням того, що ЕП турбомеханізмів споживає 25% електроенергії. що виробляється, середня цифра можливої економії електроенергії складає 37,5%, а загальна кількість виробництва електроенергії в Україні становить 166,1∙109 кВт∙г/рік, то економія електроенергії може досягти Еее = 166,1∙109∙0,25∙0,375 = 15,6∙109 кВт∙г / рік.

        В перший рік серійного випуску та впровадження (10% від встановленого в експлуатацію парку АД) економія електроенергії може скласти 1.56∙109 кВт∙г/рік, або в грошовому еквіваленті 171.6 млн. грн/рік, при ціні 0.11 грн. за одну кіловат-годину електроенергії з щорічним зростанням на ці ж величини. На діаграмі наведено зростання економічного ефекту по рокам.

12. Переваги ККД над cosφ

        До енергетичних показників АД належать ККД (п) та коефіцієнт потужності cosφ. Були пропозиції визначати один енергетичний показник, як добуток цих двох, тобто k_е  = η∙cosφ. Але таке об'єднання не правомочне, оскільки ці два коефіцієнти не рівноцінні. Прагнення.підвищувати cosφ безперечно прогресивне, тому що розвантажується мережа від реактивних струмів. Воно дає позитивні результати, якщо підвищення cosφ здійснюється не за рахунок зменшення ККД.
       Кожний відсоток підвищення ККД в десятки разів рентабельніший, ніж відсоток підвищення коефіцієнта потужності. Так, для виробництва одного кіловата активної потужності необхідно витратити 1 /η   кВт потужності, тобто при η = 0,8  необхідно витратити 1 / 0,8 = 1,25 кВт. В той же час для виробництва 1 кВА реактивної потужності необхідно витратити всього 0,02-0,08 кіловата.
       На рисунку наведені залежності зменшення споживання величини потужності у ватах на один кіловат корисної потужності АД від збільшення його ККД при різних первісних його значеннях. Вони мають лінійний вигляд і різні кути нахилу при різних первісних значеннях ККД. При менших значеннях первісного ККД кут нахилу прямої P_ек (η_п) більший, що означає збільшення економії електроенергії (зменшення активної потужності, що спожи¬вається двигуном). Так, наприклад, при збільшенні ККД на 0,5%  при      первісному ηн = 95% зменшення споживання активної потужності складає Рек    = 5,35 Вт, а при ηн = 50% - Р_ек = 19,85 Вт на один кіловат корисної потужності.
       Величину економії електроенергії від підвищенння ККД при різних значеннях початкового (номінального) ККД АД можна визначити за формулою:

        де P_н   - корисна номінальна потужність АД, кВт;

        η_н, η_п - номінальний (первісний) та підвищений ККД;

        N - число двигунів;

        t - число годин роботи двигуна на добу;

        Д - число днів роботи двигуна на рік.

        Якщо розробити і в перший рік впровадити нові двигуни замість 10% старих конструкцій АД, які вийшли із ладу при їх експлуатації, економія електроенергії становитиме (за середніми показниками), кВт∙г/р: 

        В грошовому еквіваленті (при ціні 0,11 грн. за 1 кВт∙г електроенергії) економічний ефект може скласти щорічним зростанням на цю ж величину. Через 10 років економічний ефект може досягти 187 млн. грн. на рік.
       Отримані результати і дані рисунка показують, що доцільніше займатися питаннями підвищення ККД двигунів малої потужності. По-перше, це дає значно більший ефект. По-друге, таке підвищення ККД двигунів малої потужності цілком можливе і навіть більше ніж на один процент.

13. Першочергові завдання

        З метою реалізації розпорядження Президента України від 17.05.1999 р. №99 та Постанови Кабінету Міністрів України від 25.11.1999 р. № 2145 Інститутом електродинаміки НАНУ разом з електромашинобудівними заводами України підготовлений та поданий на конкурс інвестиційний проект на розробку та серійне освоєння АД з покращеними пусковими, регулювальними та динамічними властивостями. В рамках цього проекту передбачається виконати такі НД і ДКР:

        1)  розробити та освоїти виробництво АД загального призначення з покращеними техніко-економічними та енергетичними показниками;

        2)  розробити та освоїти виробництво модифікацій відрізків серій АД, в тому числі:

        - з двопакетною конструкцією ротора замість модифікацій двигунів з підвищеними пусковими моментом і ковзанням;

        - з індукційними реостатами в колі фазного ротора замість реостатів активного опору зі ступеневим контактним перемиканням, які характеризуються низькою надійністю;

        - багатошвидкісних із суміщеними полюсоперемикальними обмотками для дискретного та розширення діапазону економічного плавного регулювання частоти обертання АД загальнопромислового призначення;

        - багатошвидкісних ліфтових та краново-металургійних АД з підвищеними техніко-економічними показниками та пусковими характеристиками;

        - для ЕП турбомеханізмів, які споживають близько 25% всієї електроенергії, що виробляється, та забезпечують економію електроенергії від 25 до 50% ;

        3) розробити матеріали і технології для виготовлення активних і конструктивних частин АД (наприклад, феромагнітних чавунів);

        4) провести всебічні дослідження АД в системах ЕП з ТПЧ і ТРИ для вибору раціональних схем управління в залежності від призначення, умов експлуатації і великого числа інших чинників. На стадії виконання проекту планується виконання робіт щодо створення комплектних регульованих та керованих ЕП.

14. Можливості серійного освоєння

        В Україні є вісім основних електромашинобудівних заводів, заводи, які виготовляють ТРН і ТПЧ, заводи з виробництва обмотувальних проводів, ізоляційних матеріалів і різних комплектуючих.

        Україна повністю забезпечена матеріальними ресурсами, виробничими приміщеннями, необхідним промисловим устаткуванням, висококваліфікованими інженерними кадрами та технологами, володіє солідним науковим потенціалом, необхідним для виконання робіт щодо створення конкурентноспроможної продукції для потреб держави та зовнішнього ринку і виведення її з цією продукцією на передові позиції в світі.

15. Відповідність робіт стратегії розвитку України

        Виконання запланованих робіт повністю відповідає вимогам та безпосередньо впливає на позитивне вирішення проблем, викладених в Посланні Президента України до Верховної Ради "Стратегія економічної та соціальної політики на 2000-2004 роки" і в Програмі діяльності Кабінету Міністрів України "Реформи заради добробуту". Необхідність виконання роботи треба віднести до основних стратегічних пріоритетів держави.
       Позитивне вирішення задач залежить також від активної участі якнайширшого кола споживачів нових АД та створених на їх базі РЕП. Звертаємо Вашу увагу на позитивні переваги РЕП (див. розд. 3), нові властивості АД (див. розд.8) та можливу економію електроенергії (див. розд. 11).

За підтримки Державного комітету України з енергозбереження.

© Вербовий А.П.. Вербовий П.Ф., Щокін А.Р.

  НАЗАД В БИБЛИОТЕКУ