Около 60% потребляемой в промышленности электроэнергии тратится на электропривод рабочих машин. При этом основными потребителями электроэнергии являются электродвигатели переменного тока. В зависимости от структуры производства и характера технологических процессов доля энергопотребления асинхронных двигателей составляет 50…80%, синхронных двигателей 6…8%. Совокупный КПД электродвигателей составляет около 70%, поэтому уровень их энергоэффективности играет значительную роль в решении задачи энергосбережения.
В сфере разработки и производства электродвигателей с 01.06.2012 г. введен в действие национальный стандарт ГОСТ Р 54413-2011 , основанный на международном стандарте IEC 60034-30:2008 и устанавливающий четыре класса энергоэффективности двигателей: IE1 – нормальный (стандартный), IE2 – повышенный, IE3 – премиум, IE4 – супер-премиум. Стандартом предусмотрен ступенчатый переход производства на более высокие классы энергоэффективности. С января 2015 г. все выпускаемые электродвигатели мощностью 0,75…7,5 кВт должны иметь класс энергоэффектиности не ниже IE2, а 7,5…375 кВт – не ниже IE3 или IE2 (с обязательной комплектацией преобразователем частоты). С января 2017 г. все выпускаемые электродвигатели мощностью 0,75…375 кВт должны иметь класс энергоэффектиности не ниже IE3 или IE2 (допускается при работе в частотно-регулируемом приводе).
В асинхронных двигателях повышение энергоэффективности достигается :
Применением новых марок электротехнической стали с меньшими удельными потерями и меньшей толщиной листов сердечников.
Уменьшением воздушного зазора между статором и ротором и обеспечением его равномерности (способствует снижению намагничивающей составляющей тока обмотки статора, уменьшению дифференциального рассеяния и снижению электрических потерь).
Снижением электромагнитных нагрузок, т.е. увеличением массы активных материалов при уменьшении количества витков и увеличении сечения проводника обмотки (приводит к снижению сопротивлений обмоток и электрических потерь).
Оптимизацией геометрии зубцовой зоны, применением современной изоляции и пропиточного лака, новых марок обмоточного провода (увеличивает коэффициент заполнения паза медью до 0,78…0,85 вместо 0,72…0,75 в электродвигателях стандартной энергоэффективности). Приводит к снижению сопротивлений обмоток и электрических потерь.
Применением меди для изготовления короткозамкнутой обмотки ротора взамен алюминия (приводит к снижению электрического сопротивления обмотки ротора на 33% и соответствующему снижению электрических потерь).
Применением высококачественных подшипников и стабильных маловязких смазок, выносом подшипников за пределы подшипникового щита (улучшает обдув подшипников и теплоотдачу, снижает уровень шума и механические потери).
Оптимизацией конструкции и производительности вентиляционного узла с учетом меньшего нагрева электродвигателей повышенной энергоэффективности (снижает уровень шума и механические потери).
Применением более высокого класса нагревостойкости изоляции F при обеспечении перегрева по классу В (позволяет избежать переустановленной мощности в приводе с систематическими перегрузками до 15%, эксплуатировать двигатели в сетях с существенными колебаниями напряжения, а также при повышенной температуре окружающей среды без снижения нагрузки).
Учёт при проектировании возможности работы с преобразователем частоты.
Серийное производство энергоэффективных двигателей освоено такими известными фирмами как Siemens, WEG, General electric, SEW Eurodrive, ABB, Baldor, MGE-Motor, Grundfos, ATB Brook Crompton. Крупным отечественным производителем является Российский электротехнический концерн «РУСЭЛПРОМ».
Наибольшего повышения энергоэффективности удается достичь в синхронных двигателях с постоянными магнитами, что объясняется отсутствием основных потерь в роторе и использованием высокоэнергетических магнитов. В роторе, ввиду отсутствия обмотки возбуждения, выделяются только добавочные потери от высших гармонических в сердечнике ротора, постоянных магнитах и короткозамкнутой пусковой обмотке. Для изготовления постоянных магнитов ротора используется высокоэнергетический сплав на основе неодима NdFeB, магнитные параметры которого в 10 раз выше ферритовых магнитов, что обеспечивает значительное повышение КПД. Известно, что КПД большинства синхронных двигателей с постоянными магнитами соответствует классу энергоэффективности IE3 и в ряде случаев превышает IE4.
К недостаткам синхронных двигателей с постоянными магнитами относятся: снижение КПД с течением времени из-за естественной деградации постоянных магнитов и их высокая стоимость.
Срок службы постоянных магнитов составляет 15…30 лет, однако вибрации, склонность к коррозии при повышенной влажности и размагничивание при температурах 150° С и выше (в зависимости от марки) могут уменьшить его до 3...5 лет.
Крупнейшим производителем и экспортером редкоземельных металлов (РЗМ) является Китай, владеющий 48% мировых ресурсов и обеспечивающий 95% мировых потребностей. В последние годы Китай значительно ограничил экспорт РЗМ, образуя их дефицит на мировом рынке и поддерживая высокие цены. Россия владеет 20% мировых ресурсов РЗМ, однако их добыча составляет лишь 2% мировой добычи, а производство изделий из РЗМ менее 1%. Таким образом, в ближайшие годы цены на постоянные магниты будут высокими, что отразится на стоимости синхронных двигателей с постоянными магнитами.
Ведутся работы по снижению стоимости постоянных магнитов. Национальным институтом материаловедения NIMS (Япония) разработана марка постоянных магнитов на основе неодима NdFe12N с меньшим содержанием неодима (17% вместо 27% в NdFe12B), лучшими магнитными свойствами и высокой температурой размагничивания 200°С . Известны работы по созданию постоянных магнитов без редкоземельных металлов на основе железа и марганца, имеющих, лучшие характеристики, чем с редкоземельными металлами и не размагничивающиеся при высокой температуре.
Синхронные двигатели с постоянными магнитами класса энергоэффективности IE4 производят: WEG, Baldor, Marathon Electric, Nova Torque, Grundfos, SEW Eurodrive, WEM Motors, Bauer Gear Motor, Leroy Somer, Mitsubishi Electric, Hitachi, Lafert Motors, Lönne, Hiosung, Motor Generator Technology, Hannig Electro-Werke, Yaskawa.
Современные серии электродвигателей адаптированы для работы с преобразователями частоты и имеют следующие конструктивные особенности: обмоточный провод с двухслойной нагревостойкой витковой изоляцией; изоляционные материалы, рассчитанные на напряжения до 2,2 от номинального; электрическая, магнитная и геометрическая симметрия электродвигателя; изолированные подшипники и дополнительный болт заземления на корпусе; принудительная вентиляция при глубоком диапазоне регулирования; установка высокочастотных синусоидальных фильтров.
Такие широко известные на рынке производители как Grundfos, Lafert Motors, SEW Eurodrive для повышения компактности и уменьшения габаритов частотно-регулируемого привода производят электродвигатели, интегрированные с преобразователями частоты.
Стоимость энергоэффективных электродвигателей в 1,2…2 раза больше стоимости электродвигателя стандартной энергоэффективности, поэтому срок окупаемости дополнительных затрат составляет 2…3 года в зависимости от среднегодовой наработки .
Список литературы
1. ГОСТ Р 54413-2011 Машины электрические вращающиеся. Часть 30. Классы энергоэффективности односкоростных трехфазных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором (код IE).
2. Сафонов А.С. Основные мероприятия по повышению энергоэффективности электрооборудования АПК // Тракторы и сельхозмашины. № 6, 2014. с. 48-51.
3. Сафонов А.С. Применение энергоэффективных электродвигателей в сельском хозяйстве // Труды II Международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы науки и техники», выпуск II. Россия, г. Самара, 7 апреля 2015. ИЦРОН, 2015. С. 157-159.
4. Стандарт IEC 60034-30:2008 Машины электрические вращающиеся. Часть 30. Классы КПД односкоростных трехфазных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором (код IE).
5. Шумов Ю.Н., Сафонов А.С. Энергоэффективные асинхронные двигатели с медной обмоткой ротора, отлитой под давлением (обзор зарубежных публикаций) // Электричество. № 8, 2014. с. 56-61.
6. Шумов Ю.Н., Сафонов А.С. Энергоэффективные электрические машины (обзор зарубежных разработок) // Электричество. № 4, 2015. с. 45-47.
Энергосберегающие двигатели серии 7А (7AVE): 7AVER 160S2, 7AVER 160М2, 7AVEC 160MA2, 7AVEC 160МB2, 7AVEC 160L2, 7AVER 160S4, 7AVER 160M4, 7AVEC 160М4, 7AVEC 160L4, 7AVER 160S6, 7AVER 160M6, 7AVEC 160М6, 7AVEC 160L6, 7AVER 160S8, 7AVER 160M8, 7AVEC 160МA8, 7AVEC 160МB8, 7AVEC 160L8
Мировое научно техническое сообщество уделяет вопросам энергосбережения и, следовательно, повышению энергоэффективности оборудования исключительное значение.
- Такое внимание обусловлено двумя критическими факторами:
- 1. Повышение энергоэффективности позволяет замедлить процесс невосполнимого уменьшения медленно возобновляемых энергетических ресурсов, запасов которых осталось всего на несколько поколений;
- 2. Повышение энергоэффективности напрямую ведет к улучшению экологической обстановки.
Асинхронные двигатели — основные потребители энергии в промышленности, сельском хозяйстве, строительстве, ЖКХ. На их долю приходится около 60% всех энергозатрат в названных отраслях.
Такая структура энергопотребления существует во всех промышленно развитых странах, в связи с чем, они активно переходят на эксплуатацию электродвигателей повышенной энергоэффективности, использование таких двигателей становится обязательным.
Серия 7AVE создана с применением российского стандарта ГОСТ Р 51689-2000, вариант I, и европейского стандарта CENELEC, IEC 60072-1, что позволит устанавливать новые энергосберегающие электродвигатели как на отечественное оборудование, так и на импортное, где в настоящее время используются двигатели иностранного производства.
Серия 7АVE предусматривает повышение КПД от 1,1% (старшие габариты) до 5% (младшие габариты) и охватывает самый востребованный диапазон мощностей от 1,5 до 500 кВт.
Создание энергоэффективных двигателей серии 7АVE гармонизируется и с таким важнейшим направлением в деле энергосбережения, как разработка двигателей для частотно-регулируемого привода, поскольку энергоэффективный двигатель обладает лучшими регулировочными свойствами, в частности, большим запасом по максимальному моменту. Здесь действует простое правило: чем больше класс энергоэффективности общепромышленного двигателя, тем шире его зона применения в частотно-регулируемом приводе.
- Особенности конструкции двигателей серии 7АVE:
- Магнитная система.
Увеличена эффективность использования магнитных материалов, жесткость системы. - Обмотка нового вида.
Используется статорообмоточное оборудование нового поколения. - Пропитка.
Новое оборудование и пропиточные лаки обеспечили высокую цементацию обмотки и высокую теплопроводность.
- Технологические преимущества двигателей классов энергоэффективности IE2 и IE3:
- Двигатели новой серии обладают низкими шумовыми характеристиками (на 3-7 дБ ниже, чем у двигателей предыдущей серии), т.е. более эргономичны. Снижение уровня шума на 10 дБ означает снижение его фактического значения в 3 раза.
- Двигатели 7AVE обладают более высокими показателями надежности за счет снижения рабочих температур. Данные двигатели изготавливаются с классом нагревостойкости «F», при фактических температурах, соответствующих более низкому классу изоляции «B». Это позволяет работать машинам с повышенным значением сервис фактора, т.е. обеспечить надежную работу при длительных перегрузках на 10-15%.
- Двигатели имеют сниженные значения нарастания температуры при заторможенном роторе, что позволяет обеспечить надежную работу в системе привода механизмов с частыми и тяжелыми пусками и реверсом.
Двигатели серии 7AVE (IE2, IE3) адаптированы к работе в составе частотно-регулируемого электропривода. За счет высокого сервис фактора двигатели могут работать в составе ЧРП без принудительной вентиляции.
- Внедрение энергоэффективных двигателей обеспечивает:
- 1. Экономию потребления электроэнергии за счет более высоких КПД двигателей;
- 2. Экономию за счет снижения установленной мощности, необходимой для работы оборудования с энергоэффективным приводом.
Выпускает энергоэффективные двигатели серии 7АVE Владимирский электромоторный завод (ОАО «ВЭМЗ»).
Энергосберегающие двигатели
Умные решения по экономии электроэнергии
Энергосберегающие двигатели Сименс выпускаются с классами эффективности „EFF1“ и „EFF2“ по CEMEP
- Число полюсов 2 и 4
- Диапазон мощностей 1.1...90 кВт
- 50 Гц версия по IEC 34-2
- EFF1 (Высокоэффективные двигатели)
- EFF2 (Двигатели с улучшенной эффективностью)
Для уменьшения выброса CO 2 , производители двигателей обязались проводить маркировку двигателей по классам эффективности.
EPACT – двигатели для американского рынка
Всесторонняя линия двигателей по EPACT с IEC размерами
- Число полюсов: 2,4 и 6
- Диапазон мощностей: от 1 HP до 200 HP (0.75 кВт до 150 кВт)
- 60 Гц версии в IEEE 112b
В соотвествии с актом от октября 97 по EPACT, кпд двигателей, ввезенных напрямую или другими путями в США, должны удовлетворять минимальным значениям.
Преимущества для покупателя и окружающей среды
Энергосберегающие двигатели с оптимальным кпд, потребляют меньше энергии при одной и той же выходной мощности. Увеличение в производительности достигнуто с помощью более высоко качества железа (чугун, медь и алюминий) и технического усовершенствования каждой детали. Потери энергии снижены на 45%. Покупатель получает огромную экономию средств, благодаря минимизации эксплуатационных расходов.
При использовании энергосберегающих двигателей снижается вред, наносимый окружающей среде. Возможность энергосбережения составляет до 20 ТВт в год, что эквивалентно мощности 8 тепловых электростанций и выбросам в атмосферу 11 миллионов тонн углекислого газа.
В энергосберегающих двигателях за счет увеличения массы активных материалов (железа и меди) повышены номинальные значения КПД и cosj. Энергосберегающие двигатели используются, например, в США, и дают эффект при постоянной нагрузке. Целесообразность применения энергосберегающих двигателей должна оцениваться с учетом дополнительных затрат, поскольку небольшое (до 5%) повышение номинальных КПД и cosj достигается за счет увеличения массы железа на 30-35%, меди на 20-25%, алюминия на 10-15%, т.е. удорожания двигателя на 30-40%.
Ориентировочные зависимости КПД (h) и соs j от номинальной мощности для обычных и энергосберегающих двигателей фирмы Гоулд (США) приведены на рисунке.
Повышение КПД энергосберегающих электродвигателей достигается следующими изменениями в конструкции:
· удлиняются сердечники, собираемые из отдельных пластин электротехнической стали с малыми потерями. Такие сердечники уменьшают магнитную индукцию, т.е. потери в стали.
· уменьшаются потери в меди за счет максимального использования пазов и использования проводников повышенного сечения в статоре и роторе.
· добавочные потери сводятся к минимуму за счет тщательного выбора числа и геометрии зубцов и пазов.
· выделяется при работе меньше тепла, что позволяет уменьшить мощность и размеры охлаждающего вентилятора, что приводит к уменьшению вентиляторных потерь и, следовательно, уменьшению общих потерь мощности.
Электродвигатели с повышенным КПД обеспечивают уменьшение расходов на электроэнергию за счет сокращения потерь в электродвигателе.
Проведенные испытания трех «энергосберегающих» электродвигателей показали, что при полной нагрузке полученная экономия составила: 3,3% для электродвигателя 3 кВт, 6% для электродвигателя 7,5 кВт и 4,5% для электродвигателя 22 кВт.
Экономия при полной нагрузке приблизительно составляет 0,45 кВт, что при стоимости энергии 0,06 доллара/кВт. ч составляет 0,027 доллара/ч. Это эквивалентно 6% эксплуатационных затрат электродвигателя.
Цена обычного электродвигателя 7,5 кВт, приводимая в прайс-листах, составляет 171 доллар США, тогда как стоимость электродвигателя с повышенным КПД - 296 долларов США (надбавка к цене - 125 долларов США). Из приведенной таблицы следует, что период окупаемости для электродвигателя с повышенным КПД, рассчитанный на основе маргинальных издержек, составляет приблизительно 5000 часов, что эквивалентно 6,8 месяцев работы электродвигателя при номинальной нагрузке. При меньших нагрузках период окупаемости будет несколько больше.
Эффективность использования энергосберегающих двигателей будет тем выше, чем больше загрузка двигателя и чем ближе режим работы его к постоянной нагрузке.
Применение и замена двигателей на энергосберегающие должна оцениваться с учетом всех дополнительных затрат и сроков их эксплуатации.
В недавнем прошлом в разных странах мира действовали собственные стандарты энергоэффективности. Например, в Европе руководствовались нормами СЕМЕР, Россия ориентировалась на ГОСТ Р 5167 2000, США - на стандарт EPAct.
В целях гармонизации требований к энергоэффективности электродвигателей Международной энергетической комиссией (МЭК) и Международной организацией по стандартизации (ISO) был принят единый стандарт IEC 60034-30. Данный стандарт классифицирует низковольтные асинхронные электродвигатели и унифицирует требования к их энергетической эффективности.
Классы энергоэффективности
Стандарт IEC 60034-30 2008 определяет три международных класса энергоэффективности:
- IE1 – стандартный класс (Standard Efficiency). Примерно эквивалентен европейскому классу EFF2.
- IE2 – высокий класс (High Efficiency). Примерно эквивалентен классу EFF1 и классу EPAct в США для 60 Гц.
- IE3 – премиум. Идентичен классу NEMA Premium для 60 Гц.
Стандарт распространяется почти на все промышленные трехфазные асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором. Исключение составляют двигатели:
- работающие от частотного преобразователя;
- встроенные в конструкцию оборудования (например, в насосный агрегат или вентилятор), когда невозможно провести независимое испытание.
Соотношение единого международного стандарта с нормами различных стран мира.
Распределение мощностей по различным стандартам
Стандарт IEC 60034-30 охватывает электродвигатели мощностью от 0,75 до 375 кВт с числом пар полюсов 2р = 2, 4, 6.
Показатели СЕМЕР распределялись по КПД для электродвигателей мощностью до 90 кВт и полюсностью 2р = 2, 4.
Нормы Epact – величина мощности от 0,75 до 150 кВт с парным числом полюсов 2р = 2, 4, 6.
Особенности стандартизации
Благодаря единому стандарту IEC заказчики электродвигателей во всем мире могут легко распознать оборудование с необходимыми параметрами.
Классы энергетической эффективности IE, описываемые стандартом IEC/EN 60034-30, основываются на результатах испытаний, проводимых в соответствии с международным стандартом IEC/EN 60034-2-1-2007. Этот стандарт определяет энергоэффективность, основываясь на показателях потерь мощности и КПД.
Отметим, что у российского рынка электродвигателей есть свои особенности. Отечественных производителей условно можно разбить на две группы. Одна группа указывает в качестве главного показателя КПД, другая не указывает ничего. Таким образом формируется недоверие к электрооборудованию, что служит барьером к приобретению российской продукции.
Методы определения энергоэффективности
Существует два метода определения КПД: прямой и косвенный. Прямой метод основан на экспериментальном измерении мощности и отличается некоторой неточностью. Новый стандарт предполагает использование косвенного метода, который опирается на следующие параметры:
- исходная температура
- нагрузочные потери, которые определяются с помощью измерений, оценки и математического расчета
Показатели КПД сопоставимы только при одинаковом методе определения значений. Косвенный метод подразумевает:
1.
Измерение потерь мощности, рассчитанных по результатам нагрузочных испытаний.
2.
Оценка потерь подводимой мощности при номинальной нагрузке до 1000 кВт.
3.
Математический расчет: используется альтернативный косвенный метод с расчетом потерь Р (мощности). Определяется по следующей формуле:
η = Р2 /Р1=1-ΔР/Р1
где: Р2 - полезная мощность на валу двигателя; Р1 – активная мощность из сети; ΔР – суммарные потери в электродвигателях.
Более высокое значение КПД уменьшает потери и потребление электроэнергии электродвигателя и повышает его энергоэффективность.
Ряд российских стандартов, например, ГОСТ Р 54413-2011, можно соотнести с международными стандартами.
Отличия российских стандартов от международных заключаются:
- в некоторых особенностях математических расчетов для определения параметров оборудования;
- в различиях в единицах измерения;
- в процессах испытаний;
- в параметрах испытательного оборудования;
- в условиях выполнения испытаний;
- в особенностях эксплуатации.
В России приняты те же классы энергоэффективности, что и в Европе. Информация о классах содержится в паспортных данных, технической документации, маркировке и на шильдиках.
Другие полезные материалы:
