Асинхронный двигатель с совмещенными обмотками
Авторы: Д.А.Дуюнов
Источник: Журнал "Энергосовет" № 2 (27) за 2013 г
Аннотация
Д.А.Дуюнов. Асинхронный двигатель с совмещенными обмотками. В России на долю асинхронных двигателей, по разным оценкам, приходится от 47 до 53% потребления всей вырабатываемой электроэнергии. В промышленности – в среднем 60%, в системах холодного водоснабжения – до 90%. Они осуществляют практически все технологические процессы, связанные с движением, и охватывают все сферы жизнедеятельности человека. С появлением новых, так называемых двигателей с совмещенными обмотками (ДСО) имеется возможность существенно улучшить их параметры без увеличения цены.
На каждую квартиру современного жилого дома приходится асинхронных двигателей больше, чем в ней жильцов. Ранее, поскольку задачи экономии энергоресурсов не было, при проектировании оборудования стремились «подстраховаться», и использовали двигатели с мощностью, превышающей расчетную. Экономия электроэнергии в проектировании отходила на второй план, и такое понятие как энергоэффективность не было столь актуальным. Энергоэффективные двигатели – это, скорее, чисто западное явление. Промышленность России такие двигатели не проектировала и не выпускала. Переход к рыночной экономике резко изменил ситуацию. Сегодня сэкономить единицу энергетических ресурсов, например 1 т топлива в условном исчислении, вдвое дешевле, чем ее добыть.
Энергоэффективные двигатели (ЭД), представленные на внешнем рынке, – это асинхронные ЭД с короткозамкнутым ротором, в которых за счет увеличения массы активных материалов, их качества, а также за счет специальных приемов проектирования удается поднять на 1–2% (мощные двигатели) или на 4–5% (небольшие двигатели) номинальный КПД при некотором увеличении цены двигателя. Этот подход может приносить пользу, если нагрузка меняется мало, регулирование скорости не требуется и параметры двигателя правильно выбраны.
Используя двигатели с совмещенными обмотками (ДСО), за счет улучшенной механической характеристики и более высоких энергетических показателей, стало возможным не только экономить от 30 до 50% потребления энергии при той же полезной работе, но и создавать регулируемый энергосберегающий привод с уникальными характеристиками, не имеющий аналогов в мире. Наибольший эффект достигается при использовании ДСО в установках с переменным характером нагрузки. Исходя из того, что в настоящее время мировой объем производства асинхронных двигателей различной мощности достиг семи миллиардов штук в год, эффект от внедрения новых двигателей трудно переоценить.
Известно, что средняя загрузка электродвигателя (отношение мощности, потребляемой рабочим органом машины, к номинальной мощности электродвигателя) в отечественной промышленности составляет 0,3–0,4 (в европейской практике эта величина составляет 0,6). Это значит, что обычный двигатель работает с КПД значительно ниже номинального. Завышенная мощность двигателя часто приводит к незаметным на первый взгляд, но очень существенным отрицательным последствиям в обслуживаемом электроприводом оборудовании, например, к излишнему напору в гидравлических сетях, связанному с ростом потерь, снижению надежности и т.п. В отличие от стандартных, ДСО обладают низким уровнем шумов и вибраций, более высокой кратностью моментов, имеют КПД и коэффициент мощности близкий к номинальному в широком диапазоне нагрузок. Это позволяет поднять среднюю нагрузку на двигатель до 0,8 и повысить характеристики обслуживаемого приводом технологического оборудования, в частности, существенно понизить его энергопотребление.
Экономия, окупаемость, прибыль
Вышеуказанное касается энергосбережения в приводе и призвано сократить потери на преобразование электрической энергии в механическую и повысить энергетические показатели привода. ДСО при широкомасштабном внедрении дают широкие возможности по энергосбережению вплоть до создания новых энергосберегающих технологий.
По данным сайта федеральной службы государственной статистики (http://www.gks.ru/ wps/wcm/connect/rosstat/rosstatsite/main/) потребление электроэнергии в 2011 г. в целом по России составило 1 021,1 млрд кВт·ч.
Согласно приказу Федеральной службы по тарифам от 06.10.2011 г. № 239–э/4 минимальный уровень тарифа на электрическую энергию (мощность), поставляемую покупателям на розничных рынках в 2012 году, составит 164,23 коп/кВт·ч (без НДС).
Замена стандартных асинхронных двигателей позволит экономить от 30 до 50% энергии при той же полезной работе. Экономический эффект от повсеместной замены составит минимум:
1021,1·0,47·0,3·1,6423 = 236,4503 млрд руб. в год.
По Московской области эффект составит минимум:
47100,4·0,47·0,3·1,6423 = 10906,771 млн руб. в год.
Учитывая предельные уровни тарифов на электрическую энергию на периферийных и других проблемных территориях, максимальный эффект и минимальный период окупаемости достигается в регионах с максимальными тарифами – Иркутская область, Ханты–Мансийский автономный округ, Чукотский автономный округ, Ямало–Ненецкий автономный округ и др.
Максимальный эффект и минимальный период окупаемости может быть достигнут при замене двигателей с непрерывным режимом работы, например – насосные агрегаты водоснабжения, вентиляторные установки, прокатные станы, а также высоконагруженных двигателей, например – лифты, эскалаторы, транспортеры.
Для расчета периода окупаемости за основу приняты цены ОАО «УралЭлектро». Полагаем, что с предприятием заключен энергосервисный контракт по замене двигателя АДМ 132 M4 насосного агрегата на условиях лизинга. Цена двигателя 11 641 руб. Стоимость работ по его замене (30% стоимости) 3 492,3 руб. Дополнительные расходы (10% стоимости) 1 164,1 руб.
Всего затрат:
11 641 + 3 492,3 + 1 164,1 = 16 297,4 руб.
Экономический эффект составит:
11 кВт·0,3·1,6423 руб./кВт·ч·1,18·24 = = 153,48278 руб. в сутки (с НДС).
Период окупаемости:
16 297,4 / 153,48278 = 106,18 суток или 0,291 года.
Для остальных мощностей расчет дает аналогичные результаты. Учитывая, что время работы двигателей на промышленных предприятиях может не превышать 12 часов, период окупаемости может составлять не более 0,7–0,8 года.
Предполагается, что по условиям лизингового контракта предприятие, заменившее двигатели на новые, после уплаты лизинговых платежей выплачивает в течение трех лет 30% от экономии электроэнергии. В этом случае доход составит: 153,48278·365·3 = 168 063,64 руб. Следовательно, замена одного двигателя малой мощности позволяет получить доход от 84 до 168 тыс. руб. В среднем от замены двигателей с одного небольшого коммунального предприятия можно получить доход не менее 4,8 млн руб. Внедрение новых двигателей при модернизации стандартных позволит в коммунальной сфере и на транспорте во многих случаях отказаться от дотаций на электроэнергию без роста тарифов.
Особое социальное значение проект приобретает в связи со вступлением России в ВТО. Отечественные производители асинхронных двигателей не в состоянии конкурировать с ведущими мировыми производителями. Это может привести к банкротству многих градообразующих предприятий. Освоение производства двигателей с совмещенными обмотками позволит не только снять эту угрозу, но и составить серьезную конкуренцию на внешних рынках. Поэтому реализация проекта имеет для страны и политическое значение.
Новизна предлагаемого подхода
В последние годы в связи с появлением надежных и приемлемых по цене преобразователей частоты широкое распространение стали получать регулируемые асинхронные приводы. Хотя цена преобразователей и остается достаточно высокой (в два–три раза дороже двигателя), они позволяют в ряде случаев снизить потребление электроэнергии и улучшить характеристики двигателя, приблизив их к характеристикам менее надежных двигателей постоянного тока. Надежность частотных регуляторов также в разы ниже, чем электродвигателей. Не каждый потребитель имеет возможность вложить такие огромные деньги на установку частотных регуляторов. В Европе к 2012 году лишь 15% регулируемых электроприводов укомплектовано двигателями постоянного тока. Поэтому актуально рассматривать проблему энергосбережения главным образом применительно к асинхронному электроприводу, в том числе частотно-регулируемому, оснащенному специализированными двигателями с меньшей материалоемкостью и себестоимостью.
В мировой практике сложилось два основных направления решения указанной проблемы.
Первый – энергосбережение средствами электропривода за счет подачи конечному потребителю в каждый момент времени необходимой мощности. Второй – производство энергоэффективных двигателей, удовлетворяющих стандарту IE–3. В первом случае усилия направлены на снижение стоимости частотных преобразователей. Во втором случае – на разработку новых электротехнических материалов и оптимизацию основных размеров электрических машин.
По сравнению с известными методами повышения энергоэффективности асинхронного привода, новизна предлагаемого нами подхода заключается в изменении основополагающего принципа конструкции классических обмоток двигателя. Научная новизна заключается в том, что сформулированы новые принципы конструирования обмоток двигателей, а так же выбора оптимальных соотношений чисел пазов ротора и статора. На их основе разработаны промышленные конструкции и схемы однослойных и двухслойных совмещенных обмоток, как для ручной, так и для автоматической укладки. На технические решения с 2011 года получено 7 патентов РФ. Несколько заявок находятся на рассмотрении в Роспатенте. Готовятся заявки на патентование за рубежом.
По сравнению с известными, частотно-регулируемый привод может быть выполнен на базе ДСО с повышенной частотой питающего напряжения. Это достигается за счет меньших потерь в стали магнитопровода. Себестоимость такого привода получается существенно ниже, чем при использовании стандартных двигателей, в частности, значительно снижаются шумность и вибрации.
В ходе испытаний, проведенных на стендах Катайского насосного завода, штатный двигатель мощностью 5,5 кВт был заменен на двигатель мощностью 4,0 кВт нашей конструкции. Насос обеспечил все параметры в соответствии с требованиями ТУ, при этом двигатель практически не нагрелся.
В настоящее время ведутся работы по внедрению технологии в нефтегазовом комплексе (компании Лукойл, ТНК-ВР, Роснефть, Бугульминский электронасосный завод), в предприятиях метрополитенов (Международная ассоциация метрополитенов), в горнодобывающей отрасли (Лебединский ГОК) и ряде других отраслей.
Сущность предлагаемой разработки
Сущность разработки вытекает из того, что в зависимости от схемы подключения трехфазной нагрузки к трехфазной сети (звезда или треугольник) можно получить две системы токов, образующих между векторами индукции магнитных потоков угол в 30 электрических градусов. Соответственно, к трехфазной сети можно подключить электродвигатель, имеющий не трехфазную обмотку, а шестифазную. При этом часть обмотки должна быть включена в звезду, а часть в треугольник и результирующие вектора индукции полюсов одноименных фаз звезды и треугольника должны образовывать между собой угол в 30 электрических градусов.
Совмещение двух схем в одной обмотке позволяет улучшить форму поля в рабочем зазоре двигателя и как следствие существенно улучшить основные характеристики двигателя. Поле в рабочем зазоре стандартного двигателя лишь условно можно назвать синусоидальным. На самом деле оно ступенчатое. В результате этого в двигателе возникают гармоники, вибрации и тормозящие моменты, которые оказывают отрицательное воздействие на двигатель и ухудшают его характеристики. Поэтому стандартный асинхронный двигатель обладает приемлемыми характеристиками только в режиме номинальной нагрузки. При нагрузке, отличной от номинальной, характеристики стандартного двигателя резко снижаются, снижается коэффициент мощности и КПД.
Совмещенные обмотки так же позволяют уменьшить уровень магнитной индукции полей от нечетных гармоник, что приводит к существенному снижению общих потерь в элементах магнитопровода двигателя и повышению его перегрузочной способности и удельной мощности. Это так же позволяет выполнять двигатели для работы на более высокие частоты питающего напряжения при использовании сталей, рассчитанных для работы на частоте 50 Гц. Двигатели с совмещенными обмотками обладают меньшей кратностью пусковых токов при более высоких пусковых моментах. Это имеет существенное значение для оборудования, работающего с частыми и затяжными пусками, а так же для оборудования, подключенного к протяженным и высоконагруженным сетям с высоким уровнем падения напряжения. Они генерируют меньше помех в сеть, и меньше искажают форму питающего напряжения, что имеет существенное значение для целого ряда объектов, оснащенных сложной электроникой и вычислительными системами.
Рисунок 1 – Форма поля в рабочем зазоре стандартного двигателя
Рисунок 2 – Форма поля в рабочем зазоре двигателя с совмещенными обмотками
На рис.1. показана форма поля в стандартном двигателе 3000 об./мин в статоре 24 паза.
Форма поля аналогичного двигателя с совмещенными обмотками представлена на рис.2.
Из приведенных графиков видно, что форма поля двигателя с совмещенными обмотками ближе к синусоидальной, чем у стандартного двигателя. В результате, как показывает имеющийся опыт, без увеличения трудоемкости, при меньшей материалоемкости, без изменения существующих технологий, при равных прочих условиях получаем двигатели, по своим характеристикам существенно превосходящие стандартные. В отличие от ранее известных методов повышения энергоэффективности, предлагаемое решение наименее затратное и реализуемо не только при производстве новых двигателей, но и при капитальном ремонте и модернизации существующего парка. На рис.3. показано, как изменилась механическая характеристика от замены стандартной обмотки на совмещенную при капитальном ремонте двигателя.
Ни одним другим известным способом невозможно столь радикально и эффективно улучшить механические характеристики существующего парка двигателей. Результаты стендовых испытаний, проведенных Центральной заводской лабораторией ЗАО «УралЭлектро-К» г. Медногорск, подтверждают заявленные параметры. Полученные данные подтверждают и результаты, полученные при проведении испытаний в НИПТИЭМ г.Владимир.
Рисунок 3 – Механическая характеристика асинхронного двигателя АДМ100S2У2 (1 - со стандартными обмотками, 2 - с совмещенными обмотками)
Рисунок 4 – График коэффициента мощности двигателя АДМ100S2У2 (1 - со стандартными обмотками, 2 - с совмещенными обмотками)
Среднестатистические данные основных энергетических показателей КПД и cos, полученные при испытании партии модернизированных двигателей, превышают каталожные данные стандартных двигателей. В комплексе все вышеприведенные показатели обеспечивают двигателям с совмещенными обмотками характеристики, превосходящие лучшие аналоги. Это было подтверждено даже на первых опытных образцах модернизированных двигателей.
Конкурентные преимущества
Уникальность предлагаемого решения заключается в том, что очевидные на первый взгляд конкуренты, по сути, являются потенциальными стратегическими партнерами. Это объясняется тем, что освоить производство и модернизацию двигателей с совмещенными обмотками можно в кратчайшие сроки практически на любом профильном предприятии, занятом производством или ремонтом стандартных двигателей. При этом не требуется изменения существующих технологий. Для этого достаточно доработать существующую на предприятиях конструкторскую документацию. Ни один конкурирующий продукт не обладает такими преимуществами. При этом не возникает необходимости в получении специальных разрешений, лицензий и сертификатов. Показательным примером может служить опыт сотрудничества с ОАО «УралЭлектро-К». Это первое предприятие, с которым заключен лицензионный договор на право производства энергоэффективных асинхронных двигателей с совмещенными обмотками. По сравнению с частотными приводами, предлагаемая технология позволяет получить большую экономию электроэнергии при существенно меньших капитальных вложениях. В ходе эксплуатации затраты на обслуживание так же существенно ниже. По сравнению с другими энергоэффективными двигателями, предлагаемый продукт отличается более низкой ценой при тех же показателях.
Рисунок 5 – График КПД двигателя АДМ100S2У2 (1 - со стандартными обмотками, 2 - с совмещенными обмотками)
Заключение
Область применения асинхронных двигателей с совмещенными обмотками охватывает практически все сферы жизнедеятельности человека. Ежегодно в мире производится порядка семи миллиардов штук двигателей различной мощности и исполнений. На сегодня практически ни один технологический процесс невозможно организовать без использования электродвигателей. Последствия широкомасштабного использования данной разработки трудно переоценить. В социальной сфере они позволяют существенно снизить тарифы на основные виды услуг. В области экологии они позволяют достичь беспрецедентных результатов. Так, например, при той же полезной работе они позволяют в три раза снизить удельную выработку электроэнергии и как следствие резко сократить удельный расход углеводородов.