CC BY
10УДК 621.313.333
ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ
Езерский Д.С., студент группы 14Стр(б)ТГВ, Оренбургский государственный университет, Оренбург
e-mail: darkness111_96@mail.ru
Никонова Л.Д., студент группы 14Стр(б)АД, Оренбургский государственный университет, Оренбург
e-mail: lybaniko@mail.ru
Научный руководитель: Раимова А.Т., канд. техн. наук, доцент кафедры АЭПЭМиЭТ, Оренбургский государственный университет, Оренбург
В настоящее время встает задача экономии электроэнергии и, как следствие, повышения энергоэффективности рабочего оборудования. Актуальность исследования обусловлена рассмотрением инновационных технологий, которые разработаны для решения вышеописанных задач. В статье изложены несколько способов улучшения характеристик электродвигателей, направленных на: уменьшение энергозатрат, увеличение срока эксплуатации и экономической целесообразности предлагаемых методологий.
Ключевые слова: энергоэффективный электродвигатель (ЭД), асинхронный электродвигатель (АД), совмещенная обмотка, момент на валу, коэффициент полезного действия (КПД), энергоэффиктивность.
Энергоэффективные двигатели (ЭД), представленные на внешнем рынке - это асинхронные ЭД с короткозамкнутым ротором. За счет улучшения качества используемых в двигателе деталей, а также за счет специальных приемов проектирования удается поднять номинальный КПД ЭД на 1-2 % (мощные двигатели) или на 4-5 % (небольшие двигатели). Этот подход может приносить пользу, только если нагрузка меняется мало, регулирование скорости не требуется и параметры двигателя правильно выбраны. В России, асинхронные двигатели занимают от 47 до 53 % потребления всей вырабатываемой электроэнергии.
В настоящее время существует ряд методов повышения эффективности ЭД [1, 2, 3, 4]. Наибольшее применение нашли следующие технологии:
- применение частотного привода - удается в широких пределах менять частоту оборотов и момент на валу;
- быстро меняющееся число магнитных полюсов в двигателях с постоянными магнитами - уменьшение частоты приводит к снижению потерь в сердечнике;
- воздействие на вибрации с помощью эксцентричного ротора - снижение вибраций сопровождается повышением надежности и срока службы двигателя.
Однако, особое внимание необходимо уделить инновационной Российской разработке. Д. А. Дуюновым [5] была предложена новая конструкция обмотки АД, которая приведена на рисунке 1.
Рисунок 1 - Обмотка по схеме «Славянка»
Сущность разработки заключается в возможности получения двух систем токов, образующих между векторами индукции магнитных потоков угол в 30 электрических градусов в зависимости от схемы подключения трехфазной нагрузки к трехфазной сети (звезда или треугольник). 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, тогда результирующие вектора индукции полюсов одноименных фаз звезды и треугольника будут образовывать между собой угол в 30 электрических градусов.
Следовательно, совмещение двух схем в одной обмотке позволяет улучшить форму поля в рабочем зазоре двигателя и как следствие существенно улучшить основные характеристики двигателя. Осциллограммы проведенного эксперимента по использованию обычного двигателя и двигателя с совмещенной обмоткой приведены на рисунке 2.
Форма поля, как видно из рисунка, в рабочем зазоре стандартного двигателя лишь условно можно назвать синусоидальным, оно ступенчатое.
Рисунок 2 - Форма поля в рабочем зазоре
В результате этого в двигателе возникают гармоники, вибрации и тормозящие моменты, которые оказывают отрицательное воздействие на работу двигателя 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 двигателя.
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. Для наглядности эффективности и окупаемости двигателей с совмещенной обмоткой проведен сравнительный анализ между двигателями 4А180М2У3 (заводской двигатель, класс энергоэффективности IE1) и АДЭМ180М2 (двигатель с совмещенной обмоткой, класс энергоэффективности IE2). Технические характеристики двигателей приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Технические характеристики двигателей
Характеристики Двигатель 4А180М2У3 Двигатель АДЭЕМ18М2
Мощность, кВт 30 30
Частота вращения, об/мин 3000 3000
КПД, % 90,5 92
Коэффициент мощности cosф 0,9 0,88
Стоимость двигателя, руб 38000 53200
Расчет выполняется на основе данных приведенных в таблице 1 в следующем порядке:
1. Вычисляется активная мощность, потребляемая из сети:
Ра = Р , 0)
Л
где Р - мощность асинхронного двигателя, кВт; Л - КПД двигателя;
Рл - активная мощность асинхронного электродвигателя, кВт.
Далее определяются суммарные потери мощности:
АР = Ра - Р, (2)
где АР - суммарные потери мощности, кВт.
2. Предположим, что данный двигатель работает 1=24 часа в сутки, п=365 дней в году, тогда количество энергии, теряемое и выделяемое в виде тепла, за год составит:
0 = АР ■ г ■ п, (3)
где 0 - потери электроэнергии при постоянной работе ЭД, кВт; г - время, которое работает ЭД (принято 24 часа), ч; п - количество суток, которое работает ЭД (принято 365), сут.
3. При средней стоимости электроэнергии в г. Оренбург С0=2,7 руб. за кВт/ч, количество потерянной электроэнергии за 1 год определится значением:
С = С0 ■ 0, (4)
где С0 - средняя цена электроэнергии за кВт/ч, руб; С - стоимость потерянной электроэнергии, руб.
4. Результаты расчетов сведены в таблицу 2.
Таблица 2 - Результаты сравнительного анализа
Параметры Двигатель 4А180М2У3 Двигатель АДЭЕМ18М2
Активная мощность, потребляемая из сети, кВт 33,15 32,6
Суммарные потери, кВт 3,15 2,61
Потери энергии при работе ЭД без перерывов в течение года, кВт 27587 22852
Количество потерянной электроэнергии за год, руб. 74484,9 61705,8
Результаты расчетов показывают, что в случае замены обычного электродвигателя двигателем с совмещенной обмоткой, т.е. энергоэффективным, экономия электроэнергии составит 4795 кВт в год на один двигатель. При применении 10 таких электродвигателей экономия составит 47350 кВт в год или в денежном выражении 12779,1 руб. в год.
На рисунке 3 приведена динамика изменения стоимости потерянной электроэнергии в течение 5 лет.
Из графика видно, что, несмотря на большую стоимость улучшенного двигателя, он полностью окупается через год.
Стандартный двигатель Двигатель с совмещенной обмоткой
Рисунок 3 - Стоимость потерянной электроэнергии
А в течение 5 лет двигатель с совмещенной обмоткой по сравнению со стандартным двигателем позволит сэкономить 48695,5 руб. Расчеты были проведены для одного двигателя, в реальности количество двигателей, задействованных в технологических процессах, много больше, следовательно, и экономия денежных средств будут много выше.
Таким образом, без значительных изменений в технологии изготовления 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.
Новые технологии уже сейчас находят широкое применение. Наглядным примером является опыт применения асинхронного двигателя по технологии «Славянка» на объектах шахтного электротранспорта. В ходе испытания в НПП «Энергия» асинхронный электродвигатель с совмещенными обмотками на электровозе «Эра» перевезено в два раза больше вагонеток с углем (рудой), чем с штатным двигателем донором (АИР160), который
позволяет перевозить только пять вагонеток и не тянет в горку. Производительность труда по вывозу угля (руды) повысилась более чем в два раза при уменьшении потребления электроэнергии.
Литература
1. Bogh, D. IEEE 841 motor vibration / D. Bogh, J. Crowell, R. Amstutz // Industry Applications Magazine. - 2005. - IEEE. V. 11. - № 6. - pp. 32-37.
2. Li, J. Effect of Radial Magnetic Forces in Permanent Magnet Motors With Rotor Eccentricity / J. Li, Z. Liu, L. Nay // IEEE Transactions on Magnetics. - 2007. - V. 43. Is. 6. - pp. 2525-2527.
3. Hao, Z. A Vibration Mitigation Approach for Inverterfed Permanent Magnet Motor Drive System / Z. Hao, Z. Rong-xiang, Y. Huan, С. Hui // IEEE SENSORS JOURNAL. - 2009. - pp. 2017-2022.
4. Yuji, О. Permanent Magnet Motor Capable of Changing the Number of Poles by a Factor of Three / О. Yuji // International Conference on Electrical Machines and Systems. - 2013. - pp. 1122-1126.
5. Патент №2507664 Рос. Федерация: МПК Н02К 3/28, Н02К 17/12. Малошумный асинхронный двигатель / Д. Дуюнов, Ю. Агриков, В. Блинов, И. Яковлев; заявитель и патентообладатель Москва. ООО «AC и ПП». - № 2011151274/07; заявл. 14.12.11; опубл. 20.02.14, Бюл. № 5(II ч.). - 1 с.
