Перевод с английского языка

МЕДЬ И ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Высокая электропроводность меди является важным причиной её использования. Она позволяет повысить энергетическую эффективность двигателей. Это важно, поскольку электродвигатели являются одними из основных  потребителей электроэнергии, (43–46% всего мирового потребления электроэнергии и 69% всей электроэнергии используется в промышленности) [1].

Неэффективное использование электродвигателей приводит к перерасходу электрической энергии. Поскольку большая часть электроэнергии вырабатывается из работающих на ископаемом топливе электростанций, двигатели и системы, которые приводятся в движение ими являются косвенными источниками выбросов  парниковых газов, опасных для атмосферы. Таким образом, имеются веские экономические и экологические причины расширения использования  энергоэффективных электродвигателей.

В данной статье описывается, на сколько  медь способствует повышению эффективного потребления электроэнергии.  Медь имеет большое преимущество при её использовании в обмотках статора и ротора.
   На данном этапе внедряется новая технология, где литой ротор двигателя  производится из меди. Эта технология, была разработана специально для двигателей класса высокой  эффективности. В статье также представлены сведения о том, что в мире все отрасли промышленности направлены на экономию энергии и сокращение выбросов углерода в атмосферу. Это может быть достигнуто благодаря энергосберегающим приводам.  В статье рассматриваются двигатели переменного тока, так как они наиболее часто используются для питания промышленного оборудования.

    Электрические двигатели – преобразователи электрической энергии в механическую

Электродвигатель является электромеханическим устройством, которое использует магнитные свойства для получения вращательного движение. В электродвигатель, электрическая энергия поставляется от источника энергии и  преобразуется в механическую энергию. Это достигается следующим образом: когда один набор электромагнитов, установленных на фиксированной конструкции (статор) привлекает противоположную полярность электромагнитов на вращающейся конструкции (ротор). Магнитное поле, создаваемое статором, вращается в пространстве, в результате чего ротор вращаться вместе с ним из-за наводимых в нём токов.
  Преобразовывая электрическую энергию в механическую, электрические двигатели применяются в  широком спектре оборудования и потребительских товаров. 

КПД электродвигателя

Как было сказано выше, двигатели и приводные системы используются потребителями электроэнергии. По оценкам, на них приходится 43–46% всего мирового потребления электроэнергии и 69% всей электроэнергии используется в промышленности [1].
 Электродвигатели не преобразовывают 100% входной электрической энергии в кинетическую механическую энергию. Определенный процент от электрической энергии теряется

Эта проблема существует  по нескольким причинам. Во-первых, неэффективное распределение  отходов электрической энергии от электродвигателей, тем самым увеличивается спрос на электроэнергию и связанные с ней расходы, Т.о. работа электродвигателей обходится дороже, чем могла бы.  Во-вторых, когда электроэнергия вырабатывается с помощью нефти или угля на теплоэлектростанциях, при сжигании ископаемого топлива выделяется углекислый газ, который в огромных количествах выбрасывается в атмосферу и вызывает парниковый эффект. Потери электрической энергии во многом исходят от неэффективных двигателей, что приводит к расходованию драгоценных природных ресурсов и, кроме увеличения выбросов парниковых газов, приводит к увеличению операционных расходов (например, оплата  счета за коммунальные услуги). В-третьих, выделение тепла от неэффективных двигателей вызывает необходимость частого  технического обслуживания и снижает срок службы двигателя.
    С помощью экономических и экологических проблем можно оценить преимущества  и достоинства энергоэффективных электродвигателей по сравнению с их стандартными аналогами.

Увеличение  КПД электродвигателей
  До энергетического кризиса 1970-х годов, большинство электродвигателей общего назначения были разработаны для обеспечения номинальной мощности и эксплуатационных характеристик по разумной цене. Эффективность работы, в лучшем случае, имела второстепенное значение. Когда цены на энергоносители стали расти, производители стали разрабатывать усовершенствованные двигатели известны как высокоэффективные и энергосберегающие [3].
 Хорошо спроектированный двигатель может трансформировать более 90%  входной энергии в полезную энергию [4]. Когда эффективность двигателя подняли на несколько процентных пунктов, то экономия в киловатт-часах и в денежном эквиваленте оказалась огромной. Например, было подсчитано, что если все страны приняли бы Минимальные стандарты энергоэффективности (MEPS) для промышленных электродвигателей, то  к 2030 году экономия составит около 322 тераватт-часов в год и спрос на электроэнергию будет сохранен. В качестве дополнительных экологических выгод, это экономия потребления электрической соответствует экономии 206 млн. тонн выбросов CO2 [1].

Электрический кпд типичного промышленного асинхронного двигателя может быть улучшен путем:
1) снижение электрических потерь в обмотках статора (например, за счет увеличения площади поперечного сечения проводника, улучшение обмотки техники и с использованием материалов с высоким электрическим проводимости),
2) снижение электрических потерь в обмотках ротора  (например,  используя материалы с высокой электрической проводимостью),
3) снижение магнитных потерь с помощью лучшего качества шихтованной стали,
4) улучшение аэродинамики двигателей для уменьшения механических потерь от парусности,
5) технологическое улучшение подшипников для уменьшения потерь от трения
6) сведение к минимуму производственных допусков [5].

Средства для оценки эффективности двигателя и затрат:
- Motor Master;
- калькулятор MotorSlide.  

Увеличение эффективности двигателя с помощью медных обмоток
    Ротор является вращающейся частью двигателя. Потери в роторе являются основной причиной потерь мощности в асинхронных двигателях. Потери в роторе снижаются за счет уменьшения степени скольжения для заданной нагрузки. Это достигается за счет увеличения массы проводников ротора  и/или увеличения их проводимости, и в меньшей степени за счет увеличения общего магнитного поля с помощью воздушного зазора между ротором и статором [2].
     Одним из элементов конструкции новых двигателей является уменьшенное электрическое сопротивление проводников, что приводит к снижению потерь от нагрева. Для повышения эффективности   индукционных двигателей, производится снижение  потерь за счет увеличения сечения медных обмоток. Увеличение массы меди в катушке увеличивает электрический кпд двигателя.
    Также увеличение КПД двигателя возможно при снижении электрических потерь за счет увеличения веса изоляции обмоток статора. Это имеет смысл, так как электрические потери обычно составляют более половины всех потерь энергии, а  потери в статоре составляют примерно две трети электрических потерь [5].

Электрический КПД двигателя можно улучшить, заменив стандартный алюминиевый электрический проводник в ротора на медь,  которая имеет гораздо более высокую электропроводность. До недавнего времени, литой ротор двигателя изготавливался только из алюминия, в то время как исследователи работали над решением технических вопросов с медными литьём под давлением. Сегодня, литьё меди под давлением является проверенной технологией и огромное количество медных роторов производится ежегодно.  Экономия электроэнергии я вляется главной целью подобных проектов [17, 18].
    Использование меди вместо алюминиевый беличьей клетки асинхронного двигателя приводит к улучшению энергетической эффективности двигателя за счет значительного снижения потерь . Многие модели различных  производителей показал, что двигатели с медными роторами дают общее сокращение потерь ротора от 15 до 20% по сравнению с алюминием [19, 20].

Преимущества двигателей с медными роторами перед  эквивалентными на основе алюминия, заключаются в следующем: