Энергоэффективность двигателя что это

В настоящее время разрабатывается ещё один уровень энергоэффективности — IE5, который, возможно, уже в недалёкой перспективе сменит категорию «суперпремиум».

Классификация позволяет регуляторам принявших стандарт стран определять минимальные требования к уровню энергоэффективности при составлении норм и правил по энергопотреблению. Например, в ЕС с января 2015 года все двигатели мощностью от 7,5 до 375 кВт должны быть классом не ниже IE3, а двигатели IE2 допускаются только с устройствами частотной регулировки.

С января 2017 года уже все двигатели мощностью от 0,75 до 375 кВт должны быть классом не ниже IE3 (ограничения для IE2 продолжают действовать). Россия также присоединилась к решению МЭК и разработала на основе предложенной классификации свой стандарт — ГОСТ IEC 60034-1-2014 «Машины электрические вращающиеся». На практике в странах ЕС к настоящему моменту уже превалируют электродвигатели класса IE3, а производители активно выпускают на рынок моторы IE4, хотя регламенты для класса Super Premium ещё находятся в стадии утверждения в МЭК.

Для наиболее распространённых асинхронных двигателей основной проблемой дальнейшего увеличения энергоэффективности стал практически достигнутый конструктивный предел уменьшения потерь при использовании апробированных технических решений и материалов. То есть в настоящий момент возможность повышения КПД таких электродвигателей класса IE4 связана с перекомпоновкой и экстенсивным улучшением (использованием большего количества меди и стали, изменением конструкции ротора). Однако снижение потерь таким образом ведёт к увеличению массогабаритных параметров двигателя и, как следствие, повышению цены и усложнению монтажа.

Поэтому ведущие производители в настоящий момент развивают альтернативные, но зарекомендовавшие себя технологии. К ним относятся, например, синхронные двигатели на постоянных магнитах. Потенциально такое решение способно обеспечить наибольшую энергоэффективность при сохранении компактности и небольшого веса двигателя. Этому способствует и активное улучшение технических характеристик магнитов на основе редкоземельных металлов. Скорее всего, электродвигатели этой конструкции и станут основой нового класса энергоэффективности.

Синхронные двигатели на постоянных магнитах, которые можно отнести к классу выше, чем IE4, и маркировать, как IE5, уже появились на мировом рынке. Их выпускает компания GRUNDFOS, ведущий мировой производитель насосного оборудования.

Новые электродвигатели MGE, которые будут устанавливаться на большинстве промышленных моделей компании, имеют более высокие характеристики, чем класс IE4. Этого удалось добиться благодаря улучшению микропроцессорных составляющих встроенного частотного преобразователя мотора, уменьшению потерь в обмотке статора, пластинах статора и ротора, а также сведению к минимуму потерь при прохождении тока через пазы и контактные кольца ротора и на трение в подшипниках.

Обновлёнными электродвигателями уже комплектуются одни из самых востребованных линеек оборудования GRUNDFOS — вертикальные многоступенчатые насосы CRE, CRNE и установки повышения давления на их основе Hydro Solo-E, Hydro Multi-E, Hydro MPC-E. Моторы MGE также устанавливают на насосы серий TPE, NBE, NKE, которые предназначены для центральных тепловых пунктов, котельных и мини-ТЭС. Все эти модели выпускаются на российском заводе концерна в Истринском районе Подмосковья, и уже с 1 марта 2017 года они серийно оснащаются электродвигателями класса IE5.

«Зачастую насосное оборудование работает практически круглосуточно, и чтобы сократить затраты на электроэнергию, необходимо оптимизировать его работу. Новые двигатели позволяют существенно снизить финансовые затраты на оплату коммунальных счетов. По предварительным данным исследований GRUNDFOS, при использовании насосов с двигателями класса IE5 затраты на электричество сократятся до 10% по сравнению с оборудованием класса IE3, самого распространённого на сегодняшний день», — отмечает Роман Марихбейн, руководитель по развитию бизнеса Департамента промышленного оборудования, ООО «ГРУНДФОС».

Энергоэффективный электродвигатель с совмещенными обмотками для повышения конкурентоспособности транзитных перевозок

В.Н. Дейнего, эксперт, ООО «Новые энергетические технологии», г. Москва

Для обеспечения конкурентоспособности на мировом рынке транзитных перевозок грузов через территорию России необходимы инновационные транспортные системы. Эффективность и производительность любой транспортной системы определяется тяговым электроприводом, основу которого составляет асинхронный двигатель. Транспортные системы должны иметь высокоэффективный тяговый электропривод, который мог бы обеспечить рывок в производительности перевозок и их энергоэффективности при минимальных финансовых вложениях в модернизацию существующей системы. В век электрификации транспорта (железнодорожного, автомобильного, авиационного и морского) роль тягового асинхронного электропривода трудно переоценить. Он является ключевым звеном в ограничении повышения эффективности всей транспортной системы.

Асинхронный двигатель электропривода определяет производительность электротранспорта, а электронная система его управления — эффективность режимов его работы и защиту от несанкционированного управления (хакероустойчивость) электропривода в целом. Наглядным примером такого вмешательства является блокировка автомобильной электроники по сигналам со спутника. При этом необходимо отметить, что в основном тяговый электропривод поставляется из-за границы от ведущих производителей в этой области. Из-за этого весь электротранспорт России запрограммирован на определенную производительность в течение заданного временного интервала и на уровень риска несанкционированного управления электропривода в целом. Такое положение дел западные партнеры закрепляют договорами на поставку тягового электропривода и договорами на его гарантийное (постгарантийное) обслуживание, что становится сдерживающим обстоятельством в конкурентной борьбе государств, в которой «время-производительность-энергоэффективность» являются определяющими факторами. В связи с этим поиск методов повышения эффективности тягового электропривода является не частной задачей отдельной фирмы (изобретателя), а государственной задачей, решение которой влияет на повышение производительности электротранспорта, его энергоэффективность и в целом на конкурентоспособность транзитных перевозок через территорию России.

При осуществлении международной перевозки транспортное средство может проследовать по территории нескольких стран, прежде чем прибыть в страну назначения. Данная операция называется международным транзитом.

Важнейшим фактором, способствующим развитию международных перевозок, является геополитическое положение России между двумя мировыми экономическими центрами — Европой и Азией. Россия, занимающая более 30% территории Евразийского континента и располагающая высокоразвитой транспортной системой, объективно является естественным мостом, обеспечивающим транзитные связи на этом направлении. Но пока мощный транзитный потенциал России используется слабо.

Целый ряд стран, особенно европейских, таких как Польша, Германия, Венгрия, Чехия, Австрия, Голландия, государства Прибалтики, обладая относительно небольшой территорией, используя выгодное географическое положение, давно превратили транзит в существенные статьи доходов своих бюджетов. В частности, Голландия, не имея особых преимуществ, стала важнейшим транзитным перекрёстком Европы. Доля доходов от транзита в общем объёме экспорта услуг Голландии составляет более 40%.

Объем рынка транзитных перевозок в направлении Юго-Восточная Азии — Европа по оценкам [1] составляет до 10 млрд долларов США в год (или 10-15% мирового транзитного потока).

Развитие российского транзита, безусловно, будет способствовать росту производства, занятости населения в регионах. От состояния и уровня технического развития транспортного комплекса, его экономических показателей в значительной мере зависит социально-экономическое положение Сибирского и Дальневосточного регионов.

В России разработана и защищена патентами инновационная методология модернизации асинхронных двигателей от любого производителя — «Асинхронный двигатель с совмещенными обмотками по технологии «Славянка»». Внедрение такой методологии при модернизации тягового электропривода позволит повысить производительность электротранспорта и энергоэффективность перевозок [2-5].

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.

Подробнее о данном методе можно прочитать в статье Д.А. Дуюнова «Асинхронный двигатель с совмещенными обмотками», опубликованной в журнале «ЭНЕРГОСОВЕТ» № 2/2013

Наглядным примером эффективности такой методологии является опыт применения асинхронного двигателя с совмещенными обмотками по технологии «Славянка» на объектах шахтного электротранспорта. В НПП «Энергия» (г. Донецк) были в декабре 2013 года были проведены сравнительные испытания тяговых двигателей на шахтном электровозе «ЭРА». Обобщенные результаты испытания электровоза с штатным электродвигателем и аналогичным, но с совмещенной обмоткой, приведены на рисунке.

Рис. Обобщенные результаты испытания шахтного электровоза «Эра»

В ходе испытания 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.

Создание и внедрение инновационных технологий на транспорте — это жизненно важные вопросы, на которых постоянно акцентирует внимание руководство нашей страны. Так, Президент РФ Владимир Владимирович Путин при проведении совещания по инновациям 30 января 2012 г. на открытии вагоностроительного завода в Тихвине Ленинградской области, в частности, сказал: «Мы должны сделать так, чтобы именно в России открывались новые предприятия и качественные рабочие места, чтобы именно у нас был самый короткий путь от самой идеи, от бизнес-идеи, инноваций до конечной продукции и до рынка»; «инновационное развитие — это, безусловно, является одним из генеральных направлений нашего развития и нашего будущего».

Однако скорая инновация оборачивается длительным застоем в области отечественных разработок и разрушением инфраструктуры. Так в России умирает производство асинхронных двигателей, отсутствуют разработки отечественного программного обеспечения для блоков частотного управления ими. Чиновники этой проблемы не видят, санкции их не отрезвили, а западные партнеры уверено держат руку на пульсе тягового электропривода. Это позволяет управлять эффективностью транзитных перевозок и влиять на конкурентную способность России на мировом рынке транзитных перевозок.

Внедрение отечественных асинхронных двигателей с совмещенными обмотками по технологии «Славянка» на транспортных системах России, в промышленности и в системах ЖКХ позволяет вырваться из прессинга западных производителей электропривода и тягового в том числе, решить проблему его импортозамещения и создать условия для освоения мирового рынка транзитных перевозок и повышения производительности труда в промышленности.

1. В. Алексейчик «Транспортная колонизация или родные просторы на откуп» // Журнал «Дороги и транспорт» №11-12, 2014.

2.В. Дейнего, Д. Дуюнов, В. Иванов «Изменение конструкции обмоток асинхронных электродвигателей потенциал обеспечения надежности электросетей» // Журнал Электроэнергия. Передача и распределение» №2(29),2015.

3.В. Дейнего «Европа встречает электромобили с новым российским асинхронным двигателем» // Журнал PROТранспорт №2, 2015.

4. В. Дейнего «Применение высокомоментных энергоэффективных асинхронных двигателей с совмещенными обмотками на транспорте и на объектах ЖКХ» // Журнал Электрик № 1-2, 2015.

5. В. Дейнего, Д. Дуюнов, В. Иванов «Повышение энергоэффективности асинхронных двигателей вторичного рынка как способ энергосбережения» // Журнал Электрик №5, 2015.

Разработка энергоэффективых электродвигателей и генераторов

Контакты: Прахт Владимир Алексеевич

7(343) 375-45-64

+7 909 028 49 25

Синхронные реактивные электродвигатели

Повышение энергоэффективности асинхронных двигателей до класса энергоэффективности IE3 (стандарт IEC 60034-30) и выше обеспечивается за счет применения литой медной обмотки вместо алюминиевой, что значительно усложняет технологию производства ротора и увеличивает стоимость двигателя. Подобные асинхронные двигатели выпускают ведущие зарубежные производители.

В последние годы на рынке появились энергоэффективные двигатели (класса IE3 и IE4) новых конструкций. Одной из машин такого типа является синхронный реактивный двигатель. Технология производства синхронных реактивных двигателей не требует применения дорогостоящих материалов (например, постоянных магнитов) или выполнения сложных технологических операций. Основное отличие синхронных реактивных двигателей от асинхронных – отсутствие литой обмотки. Ротор синхронного реактивного двигателя состоит из листов ламинированной стали. За счет этого синхронный реактивный двигатель превосходит асинхронный по технологичности изготовления и себестоимости.

В институте проводятся исследования и разработки высокоэффективных и экономичных синхронных двигателей и способов их применения.

Электрические машины из порошковых композиционных магнитомягких материалов

В настоящее время отработаны технологии производства порошковых композиционных магнитомягких материалов (ПКММ) на основе порошкообразного железа, не уступающих по характеристикам изотропной динамной стали. Эти ПКММ могут применяться в электромеханике.

При изготовлении электрических машин из ПКММ с использованием технологии пресс-формования обеспечивается безотходное производство и тем самым существенно снижается себестоимость продукции. Использование ПКММ позволяет изготавливать электрические машины новых конструкций, в которых отсутствуют лобовые части обмотки, лучше используется объем магнитопровода статора. Это позволяет снизить массогабаритные характеристики и повысить энергоэффективность машины.

В институте проводятся исследования и научное сопровождение разработок электрических машин новых конструкций из порошковых композиционных магнитомягких материалов.

Электродвигатели с обмоткой возбуждения на статоре

В институте проводятся исследования и разработки электродвигателей с повышенными энергосберегающими и улучшенными стоимостными характеристиками на базе конструкции с обмоткой возбуждения на статоре.

Однофазный электродвигатель с обмоткой возбуждения на статоре по сравнению с трехфазным асинхронным двигателем имеет более простой и надежный ротор, не требующий балансировки даже при разработке высокосортных приложений, существенно простой и дешевый блок управления электродвигателем, хорошие массогабаритные показатели.

Однофазный электродвигатель с обмоткой возбуждения на статоре по сравнению с вентильным реактивным электродвигателем имеет следующие преимущества: простой и дешевый инвертор (преобразователь частоты) для управления электродвигателем, меньшие пульсации момента, лучший гармонический состав, удовлетворяет требованиям по электромагнитной совместимости без применения корректора коэффициента мощности.

Двигатель с обмоткой возбуждения на статоре и инвертор может быть спроектирован для питания от однофазной и трехфазной сети. Возможно также исполнение двигателя с обмоткой возбуждения на статоре в трехфазном исполнении.

Бесщеточные электродвигатели для электроинструмента

В производстве электроинструмента используются ненадежные щеточные электродвигатели, дорогие вентильные двигатели с магнитами на роторе, тяжелые и большие по габаритам электродвигатели без магнитов в конструкции.

Отработана конструкция однофазных бесщеточных электродвигателей, которая позволяет использовать предельно простой и надежный зубчатый ротор, выполненный из стали.

Размещение постоянных магнитов на неподвижном статоре обеспечивает высокую удельную мощность, низкую массу электродвигателя и повышенный ресурс работы. Применение в электроинструменте однофазных бесщеточных электродвигателей данной конструкции обеспечивает повышенный ресурс работы, более низкую цену электродвигателя, его массу и габариты, простой, сбалансированный и надежный ротор, высокие энергетические характеристики.

Создано / Изменено: 9 июля 2015 / 9 июля 2015

Повышение энергоэффективности

В структуре себестоимости российской промышленной продукции существенную долю сегодня составляют затраты на электроэнергию. В настоящее время известны два основных способа повышения энергоэффективности электроприводов. Во-первых, это регулирование режима работы привода при помощи преобразователей частоты. Во-вторых, повышение КПД электродвигателя посредством увеличения массы меди в обмотке статора и применения постоянных магнитов на роторе.

Однако оба перечисленных способа предполагают существенное повышение стоимости электропривода и, соответственно, удорожание агрегата, в котором он эксплуатируется.

В настоящей статье речь пойдет о третьем варианте повышения энергоэффективности станка-качалки (СК) – использовании асинхронных электродвигателей (АД) с совмещенными обмотками серии АДЭМ разработки ООО «АСиПП». Одновременное применение в обмотке двигателя двух систем токов позволяет принципиально оптимизировать профиль механической характеристики двигателя, тем самым обеспечив его более высокую энергоэффективность и более стабильную работу во всем диапазоне скоростей вращения.

Стрункин Сергей Иванович Первый заместитель генерального директора по производству – главный инженер ПАО «Оренбургнефть»

Попов Вячеслав Игоревич Главный инженер ОАО «Уралэлектро»

Степанов Юрий Георгиевич Начальник отдела управления проектами новых технологий ПАО «Оренбургнефть»

Самотуев Антон Сергеевич Ведущий инженер отдела по повышению энергосбережения и энергоэффективности ПАО «Оренбургнефть»

Рис. 2. Механическая характеристика стандартного трехфазного АД Рис. 1. Схема «звезда»

Традиционный АД можно представить как три однофазных электродвигателя в единой электромагнитной системе AN, BN, CN, сдвинутые по фазе на 120° (схема «звезда») и включаемые непосредственно в трехфазную сеть (рис. 1).

Комплекс трех однофазных неустойчивых двигателей делает неустойчивым и трехфазный АД на 95% скоростного диапазона. Следствием этого становится неоптимальный профиль механической характеристики с малым пусковым крутящим моментом (М) и зонами неустойчивой работы (рис. 2).

Рис. 4. Механическая характеристика двигателя с совмещенными обмотками Рис. 3. Совмещение схем «звезда» и «треугольник» в одной обмотке

В свою очередь малый пусковой момент вынуждает конструкторов и специалистов по эксплуатации оборудования завышать установочную мощность АД в 1,52 раза, а в случаях тяжелого пуска – в 3-4 раза. Сразу после пуска такой электродвигатель попадает в зону низких КПД и коэффициента мощности. Это значит, что по отношению к выполняемой работе такой двигатель потребляет неоправданно много электроэнергии. Электродвигатель АДЭМ с совмещенными обмотками можно представить как три двухфазных электродвигателя в единой электромагнитной системе, включаемой без фазосдвигающих устройств непосредственно в трехфазную сеть. Комплекс трех устойчивых двухфазных двигателей делает АДЭМ устойчивым во всем скоростном диапазоне, следствием чего становится оптимальный профиль механической характеристики без зон неустойчивой работы (рис. 4).

У АДЭМ при перегрузке частота вращения вала уменьшается, но при этом ток практически не возрастает. То же происходит и при внезапном падении напряжения в цепи. Двигатель продолжает экономично работать с меньшими оборотами, не перегреваясь. После восстановления напряжения питания до номинального уровня АДЭМ самозапускаются и выходят на расчетный режим работы. Это идеальное качество при «тяжелом пуске» с большим временем переходного процесса, когда требуется «раскрутить» нагрузку с моментом сопротивления, в три и более раз превышающим номинальный момент.

ДВИГАТЕЛИ СЕРИИ АДЭМ

В 2014 году в ПАО «Оренбургнефть» и ООО «Бугурусланнефть» – подразделениях, входящих в состав ОАО «НК «Роснефть», – успешно завершились опытно-промышленные испытания энергосберегающих асинхронных электродвигателей с совмещенными обмотками серии АДЭМ в составе приводов СК производства Медногорского электротехнического завода «Уралэлектро». Завод уже давно занимается созданием и внедрением энергоэффективных технологий, а освоение новой серии электродвигателей АДЭМ и модификаций на их основе ведет по лицензии ООО «АСиПП».

Основная цель проекта – снижение потребления электроэнергии парком СК за счет внедрения двигателей АДЭМ, удовлетворяющих требованиям международного стандарта энергоэффективности IE2.

Уникальность электродвигателей АДЭМ заключается в том, что, применив соответствующую схему подключения трехфазной нагрузки к трехфазной сети (звезда или треугольник), можно получить две системы токов. Иными словами, к трехфазной сети можно подключить электродвигатель уже не с трехфазной, а с шестифазной обмоткой. При этом часть обмотки должна быть включена в звезду, а часть – в треугольник, тогда результирующие векторы полюсов одноименных фаз звезды и треугольника будут 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 повысить основные характеристики двигателя.

Рис. 5. Форма поля в рабочем зазоре (а) стандартного двигателя; (б) двигателя с совмещенными обмотками

Поле в рабочем зазоре стандартного двигателя лишь условно можно назвать синусоидальным, на самом деле оно ступенчатое (рис. 5а). 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 коэффициент мощности и КПД.

В свою очередь значения энергетических показателей (КПД и cosφ) электродвигателей АДЭМ оказываются более высокими не только в номинальном режиме, но и практически во всем диапазоне нагрузки: от 25 до 125% (рис. 5б). Таким образом, двигатель серии АДЭМ как в недогруженном режиме работы, так и в режиме перегрузки будет потреблять меньше энергии по сравнению со стандартным двигателем.

Кроме того, двигатели с совмещенными обмотками отличаются от стандартных лучшими показателями работы при отклонениях напряжения сети. У стандартного двигателя в этом случае происходит значительное ухудшение энергетических характеристик, а у двигателя с совмещенными обмотками изменения характеристик практически не происходит. А поскольку все изменения КПД, cosφ и напряжения во время работы приводят к увеличению рабочего тока двигателя, то сила рабочего тока двигателя с совмещенными обмотками во всем диапазоне нагрузок оказывается меньше аналогичного показателя стандартного двигателя.

Рис. 6. Механическая характеристика электродвигателя: 1 – со стандартной обмоткой; 2 – с совмещенной обмоткой Рис. 7. Энергетическая характеристика электродвигателя: 1 – со стандартной обмоткой; 2 – с совмещенной обмоткой Рис. 8. Характеристика КПД электродвигателя: 1 – со стандартной обмоткой; 2 – с совмещенной обмоткой

При работе с регулярно меняющейся или неноминальной нагрузкой, перепадах питающего напряжения двигатели новой конструкции позволяют снизить потребление электроэнергии на 5-7%. Нагрев таких двигателей существенно ниже, а срок службы – значительно больше. Кроме того, при питании двигателей с совмещенными обмотками от частотного регулятора, они обеспечивают характеристики, недостижимые для других серий двигателей.

На рис. 6-8 представлены основные технические характеристики стандартных электродвигателей и электродвигателей с совмещенными обмотками. Приведенные данные подтверждены результатами испытаний в НИПТИЭМ, г. Владимир.

Двигатели серии АДЭМ по установочно-присоединительным размерам полностью соответствуют ГОСТ Р 51689, по классу эффективности – IE2 по IEC 60034-30.

ПРОМЫСЛОВЫЕ ИСПЫТАНИЯ

В апреле 2014 года специалисты ОАО «Уралэлектро», ПАО «Оренбургнефть» и ООО «Бугурусланнефть» совместно разработали программу и провели промышленные испытания энергоэффективных электродвигателей АДЭМ 200 L6, созданных для привода балансирного механизма штангового насоса.

Опытная эксплуатация была проведена на трех месторождениях ООО «Бугурусланнефть» в составе приводов СК. Электродвигатели АДЭМ устанавливались взамен стандартных. Опытно-промышленные испытания прошли успешно.

Среднее снижение энергопотребления по отношению к эксплуатации УШГН с ранее применявшимся стандартным асинхронным электродвигателям составило 17,9%. И, хотя эта величина не характеризует энергоэффективность новых двигателей «в чистом виде», а отражает синергетический эффект, она не может не заинтересовать.

Данные результаты были получены при 15%-ной загрузке электродвигателя, что подтверждает эффективность электродвигателей серии АДЭМ в диапазоне нагрузок от 15 до 100%.

Таблица 2. Выписка из протокола итогов опытно-промысловых испытаний

На примере проведенной опытной эксплуатации электродвигателей серии АДЭМ в составе нефтедобывающего оборудования был показан один из способов снижения затрат на добычу нефти путем лишь замены стандартного электродвигателя на электродвигатель серии АДЭМ. Учитывая же его перегрузочную способность и возможность эксплуатации в тяжелых режимах работы, в дальнейшем, вероятно, можно продолжить оптимизацию мощности нефтедобывающего оборудования, повысив экономию электроэнергии при добыче нефти.

Рис. 9. Двигатели серии АДЭМ

На основании полученных результатов в ПАО «Оренбургнефть» принято решение о постепенной замене традиционных асинхронных электродвигателей на двигатели серии АДЭМ в объемах ежегодных закупок двигателей для частотно-регулируемого фонда (рис. 9).

Энергоэффективность управления различными типами двигателей одним контроллером

Если устройство подходит для работы с распространенными типами двигателей, возникает вопрос — целесообразнее использовать один гибкий алгоритм или же несколько более детализированных для применения отдельных типов двигателей?

Специалисты компании Danfoss убеждены в эффективности использования одного гибкого алгоритма. Устройства компании Danfoss функционируют благодаря одному модульному, практически не зависимому от параметров алгоритму, согласно которому отдельные элементы используются в зависимости от выбора типа двигателя. Так, новый преобразователь частоты VLT® AutomationDrive FC 302 имеет модульное программное обеспечение управления, которое всегда рассчитывает оптимальную подачу питания на двигатель для эффективной работы и наилучшего намагничивания. Преобразователь частоты также регулирует любые резкие изменения нагрузки. Это означает, что высокоэффективной работы трехфазных асинхронных двигателей, двигателей с постоянными магнитами и синхронных реактивных двигателей уже можно достичь с помощью только одного стандартного типа устройства. Никаких дополнительных устройств не требуется.

Конфигурация оборудования, включая электромагнитный фильтр и катушку постоянного тока, а также использование стратегии управления MTPA, приводит к достижению максимальной энергоэффективности двигателя и преобразователя частоты. С точки зрения эффективности использование данной системы приводит к сравнимым – а иногда даже лучшим – результатам, чем использование комбинации двигатель+преобразователь частоты, часто предлагаемой некоторыми производителями.

Энергоэффективность работы и способность управлять двигателями различных типов с помощью только одного устройства дает пользователю возможность протестировать различные типы двигателей. В худшем случае он всегда может вернуться к использованию привычного трехфазного асинхронного двигателя, и при этом не будет необходимости заменять преобразователь частоты.

Решением является автоматическая адаптация двигателя

Важным моментом является правильное внесение данных двигателя в преобразователь частоты. Это необходимо для безопасной эксплуатации устройства. Эти данные не только дают информацию о скорости, соответствующей частоте, но и также указывают предельные значения, которые оператор должен соблюдать во время работы. Значение мощности используется не только для определения крутящего момента. Преобразователь частоты должен также ограничивать его во избежание перегрузки электродвигателя.

Многие пользователи используют паспортные данные трехфазных асинхронных двигателей, указанные на табличке двигателя, так что при программировании не возникает проблем. Обработка паспортных данных для двигателей с постоянными магнитами представляет собой большую сложность. Во-первых, многие данные этого типа двигателей зачастую не известны пользователю, и, к тому же, различные производители двигателей иногда представляют информацию по-разному. К примеру, данные о противо-ЭДС приводятся по отношению к номинальной скорости или к 1000 оборотов в минуту. Затем пользователь должен преобразовать эту информацию в формат, необходимый для преобразователя частоты.

Таким образом, для оптимального управления двигателем наличия паспортной таблички недостаточно.

Каждый производитель использует различные материалы, двигатели производятся в соответствии с технологическим допуском, двигатели разных видов требуют различного уровня намагниченности. Данные двигателей различных производителей тоже различаются. Все это приводит к необходимости применения так называемых расширенных данных двигателя, которые, в свою очередь, влияют на качество управления им. Конкретные режимы эксплуатации влияют на значения тока и напряжения, необходимые для оптимальной работы двигателя.

Фактически, у независимого производителя приводной техники, каким является компания Danfoss, возникает необходимость минимизации или устранения подобных различий производимых устройств. Это осуществляется благодаря применению автоматической адаптации двигателя (ААД). Преобразователь частоты сам определяет параметры двигателя. Теперь это доступно как для трехфазных асинхронных двигателей, так и для двигателей с постоянными магнитами и синхронных реактивных двигателей. Эта процедура измеряет параметры двигателя в соответствии с его паспортными данными и занимает всего три секунды.

Преимущество для пользователя – один преобразователь частоты для всех типов двигателей.

Для оптимальной работы описанных типов двигателей необходим электронный контроллер. Являясь независимым производителем преобразователей частоты, компания Danfoss разработала решение, позволяющее управлять всеми стандартными типами двигателей, используемых в промышленности и автоматизации зданий. Это является огромным преимуществом для пользователя, поскольку позволяет управлять двигателями различных видов с помощью только одной универсальной системы управления. Также это снижает затраты на обучение разработчиков, операторов и персонала по техобслуживанию, а также затраты на дополнительное оборудование.

Перспективы развития

Как было сказано выше, экономическая и социальная необходимость повышения энергоэффективности в значительной мере стимулировала рынок производства двигателей. В результате на рынке появилось большое количество конкурентоспособных новых или усовершенствованных моделей данных устройств. Мы с интересом следим за тем, какая же технология — или технологии — займут лидирующую позицию в долгосрочной перспективе.

Технология Danfoss применима ко всем типам двигателей

Являясь независимым производителем приводной техники, компания Danfoss разработала решение, применимое ко всем распространенным типам двигателей, которое постоянно модернизируется и совершенствуется. Традиционно компания Danfoss предлагала преобразователи частоты с алгоритмами управления стандартными асинхронными двигателями и двигателями с постоянными магнитами для обеспечения их высокой эффективности. В настоящее время доступны новые алгоритмы управления, оптимизированные для синхронных реактивных двигателей (к примеру, преобразователь частоты VLT® AutomationDrive FC 302). Упрощается также и процесс ввода устройства в эксплуатацию. Помимо простоты обслуживания преобразователь частоты обладает и другими полезными функциями. В качестве примера можно привести функцию автоматической адаптации двигателя (ААД), которая измеряет характеристики двигателя и оптимизирует его параметры в соответствии с ними. Благодаря этому двигатель всегда работает наиболее эффективным образом, что позволяет повысить энергоэффективность и снизить расходы.