Эффективность электрического двигателя

Энергоэффективные изделия
Эффективность
электрического двигателя
Всё внимание – оптимизации срока службы электродвигателей
Рулоф Тиммер, Микко Хелинко, Ритва Эскола
Высокая эффективность электродвигателей может обернуться значительной экономией
потребления электроэнергии. Однако при оптимизации работы двигателя в течение всего срока службы последнего следует помимо эффективности принимать во внимание и
некоторые другие характеристики. К ним относятся пригодность двигателя в целом к какому-либо использованию, правильно выбранный типоразмер, надёжность подшипников
и обмоток. Компания АББ выпускает двигатели высокого качества, характеризующиеся
не только высокой эффективностью, но и исключительной надёжностью и высоким коэффициентом готовности.
АББ Ревю 2 /2007
81
Эффективность электрического двигателя
Энергоэффективные изделия
Высокая эффективность электродвиЭлектродвигатель M3BP.
гателей сулит значительные выгоды,
в том числе в виде снижения затрат на
используемую энергию и ограничения
выбросов углекислого газа. В странах
ЕС в основу классификации двигателей
по эффективности положена их энергетическая эффективность. Существующая Европейская схема классификации
делит двигатели по их энергоэффективности на 3 класса: от EFF1 дo EFF3,
при этом высшим является уровень
EFF1. Схема оказалась очень успешной
для вытеснения с рынка низкоэффективных двигателей, а уровень EFF1
стал в ряде случаев рассматриваться не
только как показатель эффективности,
но и как некий обобщённый «знак
качества». В настоящее время схема
совершенствуется в части методов
проверки эффективности с тем, чтобы
привело к тому, что отдельные производители
облегчить сравнение двигателей от разных простремятся поднять уровень эффективности своизводителей.
ей продукции, не обращая внимания на другие
важные её характеристики.
Компания АББ давно выступает за эффективность,
как обязательную стандартную характеристику
Эффективность начинается с разрадвигателя, которую заказчик не должен оплачиботки
вать как «дополнительную услугу». В результате
С точки зрения компании АББ ключом к обеспосле введения описанной классификации ЕС
печению высокой эффективности двигателя
все выпускаемые компанией АББ двигатели были
при минимальных общих эксплуатационных
отнесены к двум высшим классам, при этом класс
затратах за весь срок службы является высокое
EFF1 имеют и обычные двигатели из стандартнокачество каждого этапа разработки двигателя
го ряда изделий компании АББ.
и его изготовления.
Разработка и производство высоконадёжных
Эффективность электрического двигателя – это
двигателей с хорошими характеристиками в
мера того, насколько хорошо он преобразует
пусковых и рабочих режимах – это и достижеэлектроэнергию в полезную работу. Та часть элекние тонкого баланса целой группы параметров,
трической энергии, которая в работу не преобрасреди которых не только эффективность и стоизовывается, теряется в виде тепла. Для повышения
мость, но и конструкция вентилятора и подшипэффективности следует снижать эти потери.
ников, форма пазов статора, степень нагрева,
уровни вибраций и шума. Только правильное
Потери энергии в двигателях можно разделить на
сочетание всех этих факторов даёт двигатели
пять категорий, две из которых – потери в сервысокого качества – эффективные, надёжные
дечнике и потери на вентиляцию и трение – раси долговечные, имеющие к тому же оптимальную массу. Компания АББ, не сосредотачивается
исключительно на эффективности, а предпоВставка 1 Распределение потерь в электродвигачитает исходить из долговечности, отыскивая
теле M3BP производства компании АББ
возможности увеличения выгоды и уменьшения
затрат, непосредственно связанных с продуктом
Потери
18 %
в течение всего срока службы. При таком подхоПотери
в сердечнике
холостого
де важными являются не только эффективность,
Потери на вентиляхода
10 %
но также надёжность и техническая готовность.
цию и трение
В составе общих затрат за срок службы самую
значительную часть составляет энергия, поэтому
рост цен на неё поставил вопрос эффективности в центр внимания. Во многих странах
власти вводят различные схемы для того, чтобы
заказчики стремились использовать именно высокоэффективные двигатели. Такое положение
82
Нагрузочные
потери
Потери в обмотках
статора
34 %
Потери в роторе
24 %
Добавочные потери
14 %
сматриваются как потери холостого
хода, не зависящие от нагрузки.
Потери в обмотках статора, в роторе
и добавочные потери меняются в
зависимости от нагрузки (вставка 1).
На величину всех этих потерь можно
влиять как на этапе разработки, так и
на этапе изготовления через качество
этих двух процессов.
Потери в сердечнике – это та часть
подводимой энергии, которая
затрачивается на преодоление сопротивления магнитного материала
сердечника изменению своей намагниченности. На этапе разработки
эти потери можно снизить подбором
более качественной электротехнической стали для сердечника и увеличением сердечника для снижения
плотности магнитного потока.
Надёжность является также
важным фактором для изготовителей оборудования,
устанавливающих двигатели других производителей
в свои изделия.
Потери на вентиляцию и трение порождены
сопротивлением воздуха и трением в подшипниках ротора. В высококачественных двигателях
эти потери снижают выбором подшипников и
уплотнений, а также конструкции вентилятора
и подбором конфигурации воздушного потока
через двигатель. С одной стороны, вентилятор
должен быть достаточно большим для обеспечения достаточного охлаждения, с другой стороны,
его размеры не должны быть слишком велики
во избежание снижения эффективности и возрастания шума. В двигателях, производимых
компанией АББ, в разных моделях оптимизация
достигнута подбором размеров лопастей вентиляторов и их шага.
Потери в обмотках статора (относящиеся к нагрузочным потерям и определяемые как I2R) – это
тепло, выделяющееся при прохождении тока через имеющие конечное сопротивление обмотки
статора. Один из путей снижения этих потерь
– оптимизация конструкции пазов статора. Кроме
того, пластины статора должны иметь возможно
более одинаковую форму и быть изготовлены из
стали с низким уровнем потерь – всё это увеличивает напряжённость магнитного поля. Пластины
должны быть тщательно выровнены с тем, чтобы
образуемые ими каналы были прямыми. Разумеется, чем тоньше пластины статора, тем дороже
АББ Ревю 2/2007
Эффективность электрического двигателя
Энергоэффективные изделия
обходится их производство, а тщательное выравнивание требует применения более совершенной
технологии.
Потери в роторе также относятся к нагрузочным
и создаются токами в роторе и потерями в сердечнике. В высокоэффективных двигателях эти
потери снижают увеличением сечения короткозамкнутых проводников ротора с целью снижения
их сопротивления. Добавочные потери возникают
в результате утечек магнитного потока, наводимого токами в роторе. Эти потери можно снизить
совершенствованием геометрии пазов.
Ниже температура – выше надёжность
Двигатели, работающие время от времени или
не используемые в ответственных операциях, не
обязательно должны иметь очень высокую надёжность. Конечно, поломка – это всегда неприятно,
но последствия её не всегда бывают серьёзными.
Однако в процессах непрерывного производства, например, охлаждение в нефтегазовой
промышленности или приведение в движение
бумагоделательных машин, неплановых простоев
следует избегать любой ценой и в этих случаях
надёжность – прежде всего. Остановка всего на
несколько минут может обойтись во столько же,
во сколько обходится новый двигатель.
Надёжность является также важным фактором для
изготовителей оборудования, устанавливающих
двигатели других производителей в свои изделия.
При отказе двигателя выпускаемое таким изготовителем оборудование выглядит в глазах заказчика ненадёжным и репутации этого изготовителя
наносится ущерб.
Подход компании АББ к надёжности такой же, как
и к эффективности: основа надёжности – высокое
качество, в особенности качество применяемых
материалов. Стоимость последних в цене двигателя составляет в среднем 55 %, т.е. более половины.
Отсюда понятно, что те производители, которые
пытаются слишком резко снизить стоимость
своей продукции, вынуждены делать это за счёт
экономии на применяемых материалах, от чего
страдает надёжность продукции.
Отказы двигателей чаще всего происходят из-за
подшипников и обмоток, поэтому эти компоненты играют определяющую роль в общей надёжности двигателя. На срок их службы сильнейшим
образом влияет рабочая температура, развиваемая
внутри двигателя. В высококачественном двигателе, работающем с полной нагрузкой, температура
не превышает 60 –80 °C, в двигателях более низкого качества она может доходить до 100 °C. Ещё выше температура может быть только в двигателях,
специально сконструированных для работы при
повышенных температурах и поэтому имеющих
соответствующую изоляцию.
АББ Ревю 2 /2007
Потребляемая электродвигателями доля всего расхода электроэнергии промышленностью оценивается в 65 %. Вырабатывать
такое количество электричества – значит ежегодно
выбрасывать в атмосферу
37 млн. тонн CO2.
Для обеспечения максимальной надёжности
обязательно применение подшипников высокого
качества (вставка 2). Разработчик подбирает тип
подшипника, исходя из конкретных условий применения двигателя и характера нагрузки, и затем
назначает режим смазки, наиболее подходящий в
этих условиях. При высоких температурах смазка
утрачивает свои полезные свойства и наоборот,
снижение рабочей температуры на 10 –15 °C
теоретически может удвоить срок службы смазки
в подшипниках.
Чрезмерно высокие температуры внутри
двигателя пагубно влияют на срок службы его
обмоток, точнее, их изоляции. Увеличение
рабочей температуры всего на 10 % сокращает
срок службы обмоток вдвое. По этой причине
большинство электродвигателей выпускаются с
обмотками, имеющими класс нагревостойкости изоляции F (155 °C), но рассчитанными на
применение при температурах не выше 130 °C
(класс B). Повышение температуры в работающем двигателе – одна из характеристик, являющихся объектом проводимых в настоящее время
исследований (вставка 3).
высокого качества, которые не только удовлетворяют действующим нормам и стандартам, в том
числе по безопасности, но и сохраняют свою эффективность и надёжность на протяжении всего
срока своей службы.
Вставка 2 Какими должны быть подшипники
Для достижения оптимальной надёжности
электродвигателя его подшипники должны:
■ быть выпущены производителем с хорошей
репутацией по надёжности;
■ быть правильно выбранными по размерам
и нагрузочной способности;
■ иметь внутренние зазоры, соответствующие рабочим температурам (во избежание
заклинивания);
■ быть заправленными смазкой, соответствующей рабочим температурам;
■ допускать возможность смены смазки (при
наличии на месте эксплуатации технических
возможностей для этого – в противном случае
следует использовать подшипники со смазкой, закладываемой на весь срок службы).
1
Какими должны быть обмотки
Другим фактором надёжности обмоток является
выдерживаемое напряжение. Как правило, выдерживаемое обмотками напряжение составляет
примерно 1200 В, но двигатели могут поставляться и с более высоким значением выдерживаемого
напряжения (1400 В и даже выше) в тех случаях,
когда обмотки должны выдерживать пики и выбросы напряжения, что наблюдается при работе
двигателей от регулируемых приводов (рис. 1).
Следует также иметь в виду, что в различных
областях техники надёжность может пониматься
по-разному. Например, в нефтегазовой промышленности надёжность – первоочередная забота.
Двигателям часто приходится работать в очень
суровых условиях, выдерживая жару и холод,
пыль и влагу. Компания АББ накопила огромный
опыт поставки электродвигателей как для обычных производственных условий эксплуатации,
так и для условий экстремальных. Этот опыт воплощается в разработке и изготовлении двигателей
Качественная обмотка характеризуется:
компактностью с высоким коэффициентом
заполнения паза статора;
■ малым вылетом;
■ высоким качеством медного проводника;
■ правильно выбранной схемой намотки;
■ высоким качеством пазовой и межфазной
изоляции, а также пропитки.
■
83
Эффективность электрического двигателя
Энергоэффективные изделия
Двигатели высокого качества и работают лучше!
Электродвигатели – эти «рабочие лошадки» современной индустрии – могут играть важную роль
в попытках снизить энергопотребление и выбросы углекислоты в атмосферу. Потребляемая электродвигателями доля расхода электроэнергии
промышленностью оценивается в 65 %. Вырабатывать такое количество электричества – значит
ежегодно выбрасывать в атмосферу 37 миллионов
тонн углекислого газа. Учитывая огромный масштаб этих цифр, даже небольшое повышение
энергоэффективности каждого двигателя даст
положительный эффект глобального масштаба.
У заказчиков есть мощный финансовый стимул
приобретать именно эффективные электродвигатели даже невзирая на то, что они обходятся
дороже на 5 –7 % (двигатели больших размеров)
и даже на 15 –20 % (двигатели малых размеров).
Эти затраты быстро окупаются за счёт снижения
энергопотребления, если учесть, что за свой срок
службы двигатель потребляет электроэнергии на
сумму в 100 раз большую, чем за него было когдато заплачено.
пусковыми и рабочими характеристиками, между
эффективностью, массой, степенью нагрева,
уровнями шума и вибраций. Выпуская изделия
высокого качества и изыскивая пути снижения
общих затрат за весь срок службы этих изделий,
компания АББ может гарантировать: эти изделия
являются отличными во всех отношениях!
Эффективность представляет собой только одну
область технических характеристик, а затраты
на энергию – только один элемент общих затрат
за срок службы. Последние в ряде случаев из-за
значительных затрат на техническое обслуживание и значительных простоев вследствие низкой
надёжности могут быть значительными. Опыт и
компетенция компании АББ позволяют ей иметь
полное представление о тех сложных взаимосвязях, которые существуют между оптимальными
Вставка 3 Три пути дальнейшего повышения энергоэффективности
Избегать перемотки
Перемотка двигателя обычно приводит к снижению его эффективности. При мощности двигателя более 30 кВт снижение составляет 1 %, а
для двигателей меньшей мощности – даже 2 %.
В высококачественных двигателях снижение эффективности не столь заметно, как в двигателях
невысокого качества.
Избегать завышения типоразмера
Компании зачастую стараются приобрести
двигатели большего типоразмера, чем это необходимо. Делается это по многим причинам.
Эксплуатационные испытания, проводившиеся
в обрабатывающих отраслях промышленности,
показали, что в среднем электродвигатель
работает при нагрузке лишь 50 –60 % от номинальной. Помимо других неудобств, работа
двигателя в таком режиме неэффективна. Более
целесообразно заменить такие двигатели на
меньшие, но более эффективные. Эффективность всей системы от этого только возрастёт.
84
Использовать регулируемые приводы
Не имеет смысла использовать высокоэффективный двигатель в системе с неэффективным
управлением. Во многих насосных и вентиляционных системах расход по-прежнему регулируется дросселированием в то время, как
двигатели постоянно работают на полной скорости. Налицо чрезмерная расточительность.
Избежать этого можно применением регулируемых приводов, обеспечивающих оптимальную скорость и точность её соблюдения,
а в конечном счёте и значительную экономию
энергии. Недавние исследования в университете г. Лапперанта (Финляндия) показали, что
применение таких приводов в параллельно
работающих насосных установках позволяет
сэкономить до 70 % энергии. Кстати, компания АББ, выпуская электродвигатели, является
одновременно и ведущим поставщиком регулируемых приводов.
Рулоф Тиммер
ABB Oy, Automation Technologies
Хельсинки, Финляндия
roelof.timmer@fi.abb.com
Микко Хелинко
Ритва Эскола
ABB Oy, Motors
Вааса, Финляндия
mikko.helinko@fi.abb.com
ritva.eskola@fi.abb.com
АББ Ревю 2/2007