Энергосберегающий асинхронный двигатель с совмещенными обмотками

               Высокомоментные малошумные энергоэффективные асинхронные двигатели с совмещенными обмотками

          Основные преимущества:

• Меньший потребляемый ток 20-35% в зависимости от режима;
• Более высокий пусковой момент на 35%;
• Меньшие пусковые токи на 35%;
• Больший минимальный момент на 35%;
• Больший максимальный момент на 20%;
• Имеют возможность эксплуатации как в режиме работы S1, так и в режиме работы S3;
• Улучшены вибро-шумовые характеристики, в среднем уровень звука ниже на 5ДБ;
• Имеют повышенную надежность: сервис фактор 2,5;
• КПД и cos , близкий к номинальному в диапазоне нагрузок от 25 до 150%;
• Более «мягкая» механическая характеристика;
• Большая перегрузочная способность.

          Примером таких двигателей могут послужить асинхронные электродвигатели (АД) серии АДЭМ. Их можно приобрести у завода-изготовителя УралЭлектро. Двигатели серии АДЭМ по установочно – присоединительным размерам полностью соответствует ГОСТ Р 51689. По классу энергоэффективности соответствуют IE 2 по IEC 60034-30.

          Проведение модернизационных, ремонтных и сервисных работ на АД другой модификации позволяет довести их основные характеристики до уровня двигателей АДЭМ в области уменьшения потребления тока и увеличения наработки на отказ в 2-5 раза

          По мнению международных экспертов, 90% существующего парка насосных агрегатов потребляют на 60% больше электроэнергии, чем это требуется для существующих систем. Несложно представить, какие объемы природных ресурсов можно сберечь, если учитывать, что доля насосов в общемировом потреблении электрической энергии составляет около 20%.

          Европейским союзом разработан и принят к действию новый стандарт IEC 60034-30, согласно которому установлено три класса энергоэффективности (IE - Международная энергоэффективность) односкоростных трехфазных асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором:

• IE1 – стандартный класс энергоэффективности - примерно эквивалентен классу энергоэффективности EFF2, применяемому сейчас в Европе;
• IE2 – высокий класс энергоэффективности - примерно эквивалентен классу энергоэффективности EFF1,
• IE3 – высший класс энергоэффективности - новый класс энергоэффективности для Европы.

          По требованиям упомянутого стандарта изменения касаются практически всех двигателей в диапазоне мощностей от 0,75 кВт до 375 кВт.  Внедрение нового стандарта в Европе будет проходить в три этапа:

• С января 2011 года все двигатели должны соответствовать классу IE2.
• С января 2015 года все двигатели мощностью от 7,5 до 375 кВт должны быть классом не ниже IE3; при этом допускается двигатель класса IE2, но только при работе с частотно-регулируемым приводом.
• С января 2017 года все двигатели мощностью от 0,75 до 375 кВт должны быть классом не ниже IE3; при этом допускается двигатель класса IE2 и при работе с частотно-регулируемым приводом.

          Все двигатели, изготовленные по стандарту IE3, при определенных условиях экономят до 60% электрической энергии. Технология, применяемая в новых электродвигателях, позволяет максимально уменьшить потери в обмотке статора, пластинах статора и ротора двигателя, связанные с вихревыми токами и отставанием фаз. Кроме того, в этих двигателях сведены к минимуму потери при прохождении тока через пазы и контактные кольца ротора, а также потери на трение в подшипниках.

          Электропривод - главный потребитель электрической энергии.

          Сегодня он потребляет более 40% от всей производимой электроэнергии, а в ЖКХ до 80%. В условиях дефицита энергетических ресурсов это делает особенно острой проблему энергосбережения в электроприводе и средствами электропривода.

               Современное состояние исследований и разработок в области реализации проекта

          В последние годы, в связи с появлением надёжных и приемлемых по цене преобразователей частоты, широкое распространение стали получать регулируемые асинхронные приводы. Хотя их цена и остаётся достаточно высокой (в два–три раза дороже двигателя), они позволяют в ряде случаев снизить потребление электроэнергии и улучшить характеристики двигателя, приблизив их к характеристикам двигателей постоянного тока. Надёжность 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, оснащённому специализированными двигателями с меньшей материалоёмкостью и себестоимостью.

          В мировой практике сложилось два основных направления решения указанной проблемы:

• Первый – энергосбережение средствами электропривода за счёт 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.

               Новизна предлагаемого подхода

          Суть технологических решений

Форма поля в рабочем зазоре стандартного двигателя.

Форма поля в рабочем зазоре двигателя с совмещёнными обмотками.

          Основные преимущества двигателя с совмещенными обмотками:

•           Меньший потребляемый ток 20-35% в зависимости от режима;
•           Более высокий пусковой момент на 35%;
•           Меньшие пусковые токи на 35%;
•           Больший минимальный момент на 35%;
•           Больший максимальный момент на 20%;
•           КПД и cos , близкий к номинальному в диапазоне нагрузок от 25 до 150%;
•           Имеют возможность эксплуатации как в режиме работы S1, так и в режиме работы S3;
•           Улучшены вибро-шумовые характеристики, в среднем уровень звука ниже на 5ДБ;
•           Имеют повышенную надежность: сервис фактор 2,5;
•           Более «мягкая» механическая характеристика;
•           Большая перегрузочная способность.

           Недостаточная загрузка электропривода ведет к дополнительным потерям электроэнергии. По осторожной оценке эта величина достигает 15-20% от суммарного потребления электроэнергии двигательной нагрузки (особенно низковольтного электропривода). При снижении объемов производства часть привода не отключается по технологическим «соображениям». В этот период привод работает с более низким коэффициентом использования номинальной мощности (или вообще работает в холостую). Это естественно увеличивает потери в электроприводе. По представленным замерам и упрощенным расчетам установлено, что средняя загрузка электропривода не превышает значения 50-55% от номинальной мощности электропривода. Неоптимальная загрузка асинхронных двигателей (АД) приводит к тому, что фактические потери превышают нормируемые. Снижение тока непропорционально снижению мощности – из-за уменьшения коэффициента мощности. Этот эффект сопровождается неоправданными дополнительными потерями в распределительных сетях. Расчетная зависимость уровня потерь электроэнергии в двигателях от уровня их загрузки может быть отражена в виде графика (см. рисунок ниже). Одна из характерных «ошибок» – использование в расчетах усредненного значения сos , что ведет к искажению фактической картины соотношения активной и реактивной энергии.

           Расширив динамическую область высоких значений КПД и сos для асинхронного двигателя, можно значительно уменьшить потери потребляемой электроэнергии!

               Обоснование проекта и применяемые решения

          1. Обмотки

          Более 100 лет изобретатели во всех промышленно развитых станах мира предпринимали безуспешные попытки изобрести такие электродвигатели, которые могли бы заменить двигатели постоянного тока более простыми, надежными и дешевыми как асинхронные.

          Решение было найдено в России, но установить действительного изобретателя на сегодняшний день не представляется возможным.

          Существует патент RU 2646515 (на 01.01.2013 не действует) с приоритетом от 22.07.1991 года авторов: Власова В. Г. и Морозова Н. М., патентообладатель: Научно-производственное объединение «Кузбассэлектромотор» - «Статорная обмотка двухполюсного трёхфазного асинхронного двигателя», который практически полностью соответствует последующим заявкам на патенты Н. В. Яловеги, преподавателя Московского института электронной техники, от 1995 года (по этим заявкам патенты не выданы). Получается, что первоначальная идея не принадлежит Н. В. Яловеге который везде представляется изобретателям – «российского параметрического двигателя Яловеги» (РПДЯ). Но существует патент США, выданный 29.06.1993 г. Яловеге Н.В., Яловеге С.Н. и Беланову К.А., на электродвигатель аналогичный патенту РФ 1991 года, но создать по названным патентам электродвигатель никому не удалось т.к. теоретическое описание не содержит информации об конкретном исполнении обмоток, а «авторы» не могут дать разъяснений т.к. не обладают «видением» применения изобретения.

          Вышеописанная ситуация с патентами указывает на то, что «авторы» патентов не являются истинными изобретателями, а скорее всего «подсмотрели» его воплощение у какого-то практика - обмотчика асинхронных двигателей, но не сумели развить реальное применение эффекта.

          Электродвигатель с 2×3 двухслойными обмотками, сдвинутыми относительно друг друга получил название асинхронный электродвигатель с совмещенными обмотками (АЭД СО). Свойства АЭД СО позволили создать на его основе целый ряд технологического оборудования, отвечающего самым жестким требованиям энергосберегающих технологий. Выполненные проекты АЭД СО охватили мощностной ряд от 0,25 кВт до 2000 кВт.

          2. Компаунд

          Для заливки обмоток двигателей применяется компаунд ИКМ на основе метилвинилсилоксановой резины с минеральными наполнителями наноразмерных величин.

          ИКМ является перспективным энерго- и ресурсосберегающим материалом для использования в производстве электрических проводов и кабелей, резино-технических изделий самой широкой номенклатуры. Позволяет заменить провода зарубежного производства в диапазоне температур от -100 до +400. Позволяет снизить полезное сечение провода в 1,5-3 раза при равных токовых нагрузках. Для изготовления используется российские минеральное и органическое сырье.

          Созданный на основе свободного от галогенов (фтор, хлор) кремнеорганического каучука, он, по сравнению с применяемыми для этих целей традиционными материалами, обладает рядом важных и полезных эксплуатационных свойств:

1. Провода с ИКМ, представленные на экспертизу, перекрывают нормативные температурные параметры изоляции (ГОСТ 26445-85, ГОСТ Р МЭК 60331-21 2003) и могут применяться в современном автотракторном, авиационном, судовом и другом электрооборудовании в диапазоне температур от -100°С до +400°С.
2. Механические свойства ИКМ позволяют использовать их как в статическом, так и в динамическом режимах работы электротехнических устройств, подверженных высокому температурному нагреву без воздействия открытого огня до температуры +400 °С, а при открытом огне до температуры +700 °С в течение 240-ка минут.
3. Скрутки проводов (кабель) выдерживают кратковременную 20-кратную токовую перегрузку (до 10-ти минут) без нарушения их изоляции, что значительно превышает ГОСТ электроснабжения для различной техники, например, автотракторной, авиационной, судовой и др.
4. При внешнем обдуве ИКМ температурные нагрузочные характеристик можно увеличивать (зависит от потока обдува).
5. При горении изоляции отравляющие вещества не выделяются. Запах от испарения внешней окраски ИКМ появляется при температуре плюс 160 - 200 С.
6. Имеет место экранирующие свойства изоляции проводников.
7. Воздействия дегазирующих, дезактивирующих и дезинфицирующих и других растворов на качество изоляции проводов не оказывают.
8. Представленные на испытания провода типа ИКМ соответствуют ГОСТ 26445-85, ГОСТ Р МЭК 60331-21-2003 "Кабели нагревостойкие с кремнийорганической изоляцией, провод переносной с резиновой изоляцией".

          3. Подшипники

          Для уменьшения коэффициента трения в подшипниках применяется антифрикционная минеральная смазка ЦЕТИЛ.

          Особенности:

• Гарантируется непрерывная защита от износа трущихся металлических деталей;
• Гарантируется длительное постоянство характеристик;
• Высокая экономичность и энергоэффективность;
• Оптимизация работы всех механических компонентов;
• Высокая чистота процесса за счет применения только минеральных компонентов;
• Экологичность;
• Постоянная очистка механики от нагара и грязи;
• Вредные выбросы полностью отсутствуют.

          Преимущества твердых смазок ЦЕТИЛ:

• Действующая концентрация ЦЕТИЛа в маслах и смазках составляет 0,001 – 0,002 %.
• ЦЕТИЛ остается на трущихся поверхностях даже после полного стекания масла (при сухом трении) и полностью исключает эффекты граничного трения.
• ЦЕТИЛ является химически инертным веществом, не окисляется, не выгорает и сохраняет свои свойства неопределенно долгое время.
• Работает при температурах до 1600 градусов.
• Применение ЦЕТИЛа в несколько раз увеличивает сроки эксплуатации масел и смазок.
• ЦЕТИЛ является нанокомплексом минеральных частиц – размер частиц исходного концентрата составляет 14-20 нм.
• Аналогов с такими свойствами в мире нет.

          Почти за 100 лет существования асинхронных двигателей в них совершенствовались применяемые материалы, конструкция отдельных узлов и деталей, технология изготовления; однако принципиальные конструкторские решения, предложенные русским изобретателем М. О. Доливо-Добровольским, в основном оставались неизменными до момента изобретения двигателей с совмещёнными обмотками.

               Методические подходы в расчетах асинхронных двигателей

          Традиционный подход к расчету асинхронного двигателя

          В современных подходах к расчету асинхронных двигателей используется постулат об идентичности синусоидальной формы потока магнитного поля и его равномерности под всеми зубцами статора. Исходя из этого постулата, расчеты велись для одного зубца статора, а машинное моделирование проводилось исходя из выше указанных предположений. При этом не стыковки между расчетными и реальными моделями работы асинхронного двигателя компенсировались применением большого числа поправочных коэффициентов. При этом расчет проводился для номинального режима работы асинхронного двигателя.

          Суть нашего нового подхода состоит в том, что при расчетах проводился повременной срез мгновенных значений магнитного потока для каждого зубца на фоне распределения поля всех зубцов. Пошаговый (повременной) и кадровый срез динамики значений магнитного поля для всех зубцов статора серийных асинхронных двигателей позволил установить следующее:

• поле на зубцах имеет не синусоидальную форму;
• поле поочередно отсутствует у части зубцов;
• не синусоидальное по форме и имеющее разрывы в пространстве магнитное поле формирует такую же структуру тока в статоре.

          В течении ряда лет были проведены многотысячные измерения и расчеты мгновенных значений магнитного поля в пространстве асинхронных двигателей различных серий. Это позволило отработать новую методологию расчета магнитного поля и наметить эффективные пути по улучшению основных параметров асинхронных двигателей.

          Для улучшения характеристик магнитного поля был предложен очевидный способ - совмещение двух схем «звезды» и «треугольника» в одной обмотке.

          Этот метод применялся и раньше целым рядом ученых и талантливых инженеров, обмотчиками электрических машин, но они шли эмпирическим путем.

          Применение совмещенных обмоток в сочетании с новым пониманием теории протекания электромагнитных процессов в асинхронных двигателях дал ошеломляющий эффект!!!

          Экономия электроэнергии, при той же полезной работе, достигает 30-50%, на 30-50% снижается пусковой ток. Повышаются максимальный и пусковой момент, КПД имеет высокое значение в широком диапазоне нагрузок, повышается cos , облегчается работа двигателя при пониженном напряжении.

          Массовое внедрение асинхронных двигателей с совмещенными обмотками понизит потребление электроэнергии более чем на 30% и позволит улучшить экологическую обстановку.

          В январе 2012 года завод «УралЭлектро» приступил к серийному производства асинхронных двигателей с совмещёнными обмотками общепромышленного исполнения серии АДЭМ.

          В настоящее время ведутся работы по созданию тяговых приводов на основе двигателей с совмещёнными обмотками для электротранспорта.

          31 января 2012 года электромобиль с таким приводом совершил первую поездку. Испытатели по достоинству оценили преимущества привода по сравнению со стандартными асинхронными и серийными.

               Целевые рынки в РФ

          Таблица применения асинхронных электродвигателей с совмещенными обмотками (ЭДСО) или модернизации обычных асинхронных электродвигателей до уровня АДСО для пассажирского транспорта, электротранспорта, ЖКХ, электроинструмента и отдельных видов промышленного оборудования

               Выводы

          Проект асинхроные электродвигатели с совмещенными обмотками (АДСО) имеет обширные рынки в РФ и за рубежом в соответствии с IEC 60034-30.

          Для доминирования на рынке асинхронных двигателей с совмещенными обмотками требуется строительство завода с годовой программой - 2 млн. двигателей и 500 тыс. шт. преобразователей частоты (ПЧ) в год.

          Номенклатура продукции завода, тыс. шт.: