НОВЫЕ РАЗРАБОТКИ В ПЛАНЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ

ЭЛЕКТРОННЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «APRIORI. CЕРИЯ: ЕСТЕСТВЕННЫЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ»
УДК 62
НОВЫЕ РАЗРАБОТКИ В ПЛАНЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ
АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ. ЭКОНОМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ
АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С СОВМЕЩЕННОЙ ОБМОТКОЙ
Лесков Иван Алексеевич
студент
Троценко Владислав Михайлович
студент
Калимуллин Алик Талгатович
ассистент
Омский государственный технический университет, Омск
[email protected]
Аннотация. Представлен обзор новых технологических усовершенствований асинхронного двигателя разных стран мира. Приведено сравнение характеристик асинхронного двигателя до и после усовершенствования. Рассмотрен экономический расчет энергоэффективного
асинхронного двигателя с совмещенной обмоткой и заводского обычного
асинхронного двигателя.
Ключевые
слова:
асинхронный
двигатель;
энергоэффективность; экономический расчет.
1
полюс;
обмотка;
№2
2015
NEW DEVELOPMENTS OF ENERGY EFFICIENCY OF ASYNCHRONOUS
ENGINES. ECONOMIC CALCULATION OF ASYNCHRONOUS ENGINE
WITH THE COMBINED PUTTEE
Leskov Ivan Alekseevich
student
Trotcenko Vladislav Mikhailovich
student
Kalimullin Alik Talgatovich
teaching assistant
Omsk state technical university, Omsk
Abstract. Reviewed new technological improvements of asynchronous
engine of different countries of the world. Comparison of descriptions of
asynchronous engine before and after an improvement is described. Economic calculation of energy effective asynchronous engine with the combined
puttee and plant ordinary asynchronous engine is investigated.
Key words: asynchronous engine; pole; puttee; energy efficiency;
economic calculation.
Асинхронные машины большее распространение получили как двигатели. Это основной двигатель, применяемый в промышленности,
сельском хозяйстве и в быту. Только асинхронных двигателей мощностью от 0,06 до 400 кВт в России ежегодно выпускается несколько млн.
штук [1].
2
Асинхронные двигатели подразделяются на два типа, одни имеют
короткозамкнутый ротор, вторые – фазный. Большинство используемых
электрических двигателей являются асинхронными, имеющими короткозамкнутый ротор. Их широкое применение в первую очередь обуславливается простотой в обслуживании, эксплуатации, простотой конструкции,
низкой стоимостью и высокой надежностью.
Ранее, поскольку задачи экономии энергоресурсов не было, при
проектировании оборудования стремились «подстраховаться», и использовали двигатели с мощностью, превышающей расчетную. Экономия электроэнергии в проектировании отходила на второй план. В последние годы энергоэффективность все более актуальна. В данной работе мы проанализируем и представим некоторые новые разработки в
данном направлении.
Учеными университета Токио в статье [2] предложена новая модель
двигателя, позволяющая обеспечить значительную экономию электроэнергии, в его основу положена методика, позволяющая быстро изменять
число магнитных полюсов в двигателе с постоянными магнитами (PM).
Рис. 1. Конфигурация двигателя
3
Двигатель ПК-ПМ способен изменять количество магнитных полюсов с коэффициентом 3, благодаря встроенному ротору с ПМС, который
имеет постоянные магниты и переменный магнит. Основные характеристики двигателя приведены в таблице 1 [2].
Таблица 1
Характеристики двигателя
Фаза / полюс
3 фазный / 6 полюсный
Наружный диаметр статора
φ120 мм
Наружный диаметр ротора
φ60 мм
Длина воздушного зазора
0,5 мм
Номинальный ток
5
Плотность тока
4.3a / мм 2
Количество очереди
30
Скорость вращения
3600 оборотов в минуту
Принудительная
сила
переменно 120 кА / м
намагниченного магнита
Принудительная сила постоянного 1675 кА / м
намагниченного магнита
Длина воздушного зазора
φ60 мм
В процессе перехода двигателя из состояния 6-полюсного в 2полюсный намагниченность в ФМШ варьируется от 100 % до –60 % под
током намагничивания 10 ПУ. При обратном процессе намагниченность
в ФМШ варьируется от –100 % до 100 % при токе намагничивания 1 ПУ.
Таким образом, результаты показывают, что в процессе перехода от
состояния 6-полюсного к 2-полюсному и обратно возможно намагнитить
ЛС с небольшим током намагничивания в области 2-полюсного двигателя.
4
Авторами также было проведено исследование характеристик магнитного поля до и после изменения полюса при помощи метод конечных
элементов (МКЭ):
Рис. 2. Фазовые характеристики крутящегося момента тока
Рис. 3. Характеристики крутящего момента
При уменьшении числа полюсов, уменьшается частота в двигателе,
что приводит к уменьшению потерь в сердечнике. Как видим из результатов эксперимента, приведённых ниже, двигатель может уменьшить
потери в сердечнике на высоких оборотах примерно на 34,3 %, изменение полюсов повышает эффективность двигателя.
5
Рис. 4. Потери в сердечнике статора на холостом ходу
Рис. 5. Принцип смены полюсов в модифицированном двигателе
Полученные результаты доказали способность предлагаемого двигателя изменять количество полюсов в 3 раза, его высокую производительность и эффективность.
Основной целью разработки группы китайских ученых в статье [3]
стал новый способ управления системой привода, позволяющий снизить
радиальную вибрацию.
6
Радиальная вибрация, возникающая в основном при вращающейся
эксцентричной нагрузке, может значительно снизить надежность двигателей и срок их службы [4].
Для ее уменьшения в вентильных электродвигателях был предложен метод обнаружения в режиме реального времени на основе теоретического анализа вибрации двигателей и механического анализа для
вращательной эксцентричной нагрузки, а также новая стратегия управления на базе ВК (векторный контроль). Частота вибрации соответствует скорости движения. Эксцентричный ротор создает минимальный воздушный зазор, поле которого вращается вместе с ротором с одинаковой
частотой. При этом магнитная сила, действующая в точке минимального
воздушного зазора, превышает соответствующую силу, действующую
при максимальном промежутке [5]. Как следствие – односторонняя магнитная сила вызывает радиальную вибрацию.
Проходя через муфту, фаза радиальной вибрации изменяет свое
значение на 180 градусов. Следует отметить, что влияние величины
расцентровки на уровень вибраций не линейно. При этом, направление
относительного смещения насоса и двигателя влияет на уровень вибрации. Однако наибольшее влияние на уровень вибрации, а соответственно и на износ механизма в целом, оказывают угловые расцентровки.
Вследствие большей жесткости, данное влияние особенно ощутимо в
вертикальной плоскости.
Эта однонаправленная магнитная сила будет вращаться с частотой,
вызывающей в воздушном зазоре вибрацию такой же частоты вращения, по заданному времени. Тип движение вибрации, как правило, определяется ускорением [6]. Экспериментальные результаты, приведенные
на рисунке 6, показывают, что радиальная вибрация двигателя, вызванная эксцентрической нагрузкой, по осям X и Y является линейной.
Способ управления системой привода основан на ПОУ (поле ориентированного управления). Приняв за основу быстрый динамический от7
клик крутящего момента от ВОК [7], можно разработать алгоритм управления нового рода, основанный на динамической пульсации крутящего
момента для уменьшения вибрации.
Рис. 6. Вибрации электродвигателя, вызываемые посредством
эксцентриковой нагрузки
Схема алгоритма управления приведена на рисунке 7. Это – основной метод управления ПОУ, где крутящийся момент определяется моментом тока Iд [8]. После этого ток IQS создает контролируемый пульсирующий крутящийся момент, который контролирует искусственную вибрацию. Полученная в результате искусственная вибрация позволяет
уменьшить первоначальную вибрацию, вызванную эксцентрической
нагрузкой. Это рабочее включение производит синусоидальный крутящийся момент в определенное время, обеспечивая возможность получения подходящих вибраций для максимального амплитудного значения
к восстановленной оригинальной вибрации.
8
Рис. 7. Принципиальная схема алгоритма с самоадаптацией
Принимая во внимание ряд факторов, приведенных ниже, для обеспечения эффективности снижения вибрации временной порог должен
быть установлен таким образом, чтобы своевременно создать искусственную вибрацию.
Необходимо учитывать время отклика системы, то есть то, что реакция вибрации будет происходить с некоторой задержкой. Порог, установленный для включения функции заранее, позволяет решить эту проблему.
Отношение между пульсирующим крутящимся моментом и вибрацией не линейно, и трудно изменить всю форму волны вибрации. Таким
образом, сглаживание высших гармоник является более практичным.
Скорость пульсирующего потока, вызванного крутящимся моментом,
может привести к нестабильности системы привода. Во избежание данного влияния установленный порог должен позволять отключить эту
функцию своевременно.
9
Рис. 8. Принципиальная схема системы привода
Основная стратегия управление приводом ОВК предлагает быстрый
отклик крутящего момента. Эта характеристика является основополагающей в самоадаптационной модели.
Изменение значения тока, порождающее крутящийся момент,
вследствие электромагнитной индукции преобразовано в виде напряжения, где сигнал выходного напряжения является преобразователем источника напряжения. Тогда на выходе инвертора будет изменен трехфазный напряжение для запуска PM (постоянный магнит) двигатель работает с низкой вибрацией.
В безадаптированной модели амплитуда виброускорения превышает 10 м/с2 и доходит до 11.36 м/с2. При той же скорости двигателя около
300 об/мин амплитуда в самоадаптированной модели сведена к 10 м/с2.
Процент уменьшения вибрации в зависимости от скорости двигателя показан на рисунке 9.
10
Рис. 9. Процент подавления вибраций с разной скоростью двигателя
В ходе основных экспериментов доказано, что амплитуда колебаний
была уменьшена более чем на 10 %. Это указывает на то, что алгоритм
самоадаптации существенно уменьшил вибрации и данная стратегия
управления для уменьшения вибрации является эффективной.
Россия так же не стоит на месте, и в плане энергоэффективности,
мы вполне можем конкурировать с другими странами мира. Так Д.А. Дуюнов в своем патенте [9] предложил новую конструкцию обмотки асинхронного двигателя для z = 18, 2p = 2, а также в работе [10] схему обмотки малошумного асинхронного двигателя с совмещенной обмоткой.
Главная мысль разработок сводится к тому, что, исходя из схемы подключения трехфазной нагрузки к трехфазной сети, а это может быть соединение в «звезду» либо в «треугольник», можно получить 2 системы токов, которые производят угол в 300 между векторами индукции магнитных
потоков. Следовательно, к трехфазной сети можно подключить электродвигатель, имеющий шестифазную обмотку. На каждую фазу достается
равное число пазов, а катушки разных фаз находятся в разных пазах так,
что результирующие векторы индукции магнитного потока каждой из двух
11
парных фаз формируют угол в 300 между собой. Нечетные фазы соединены в «звезду», а четные – в «треугольник», или наоборот, а выводы их фаз
соединены друг с другом и образуют точки их включения.
Сочетание двух схем в одной обмотке дает возможность значительно
улучшить характеристики двигателя. Поле в рабочем зазоре заводского
асинхронного двигателя не сглаженное, ступенчатое. Вследствие этого
стандартный асинхронный двигатель располагает приемлемыми характеристиками только в режиме номинальной нагрузки. Соединение в шестифазной обмотке ротора (или статора) асинхронного двигателя 2-х трехфазных совмещенных и зависимых друг от друга обмоток «треугольника»
и «звезды» благодаря наибольшему числу фаз и сложению магнитных полей этих двух обмоток, приводит к тому, что такой двигатель характеризуется наиболее «гладкой» и близкой к синусоиде кривой М.Д.С.
Совмещение обмоток так же позволяют понизить уровень магнитной
индукции полей от нечетных гармоник, что, уменьшит потери в магнитопроводе и увеличит его перегрузочную способность и удельную мощность. Данная обмотка так же позволяет производить двигатели для работы на больших частотах питающего напряжения. Двигатели с совмещенными обмотками имеют меньшую кратность пусковых токов при более высоких пусковых моментах.
Из ниже приведенных графиков мы видим, что форма кривых распределения магнитодвижущей силы двигателя с совмещенными обмотками при разных значениях времени более сглажена и ближе к синусоидальной, чем у стандартного, заводского двигателя.
Автором были сняты механические характеристики двигателей со
стандартной обмоткой и с совмещенной. За основу был взят двигатель:
АДМ100S2У2. КПД и cos, полученные при испытаниях двигателя с совмещенной обмоткой превышают данные стандартных двигателей, следовательно, они гораздо энергоэффективнее двигателей со стандартной
обмоткой.
12
Рис. 10. Кривая распределения М.Д.С. по зубцам статора
стандартного двигателя с однослойной обмоткой Z1 = 36, 2p = 2
в различные моменты времени
Рис. 11. Кривая распределения М.Д.С. по зубцам статора двигателя
с однослойной совмещенной обмоткой Z1 = 24, 2p = 2
в различные моменты времени
13
Пример схемы двухслойной обмотки малошумного асинхронного
двигателя, которая представлена на рисунке 12 [9].
Где:
U1, V1, W1 – точки подключения электродвигателя к внешней трехфазной питающей сети,
Z1 – число пазов статора,
p – число пар полюсов,
a1 – число параллельных ветвей,
y1 – шаг обмотки,
Ci – выводы обмотки «звезды»,
C i' – выводы обмотки «треугольника»,
Арабскими цифрами обозначен порядковый номер катушки.
Рис. 12. Вариант схемы двухслойной обмотки малошумного
асинхронного двигателя
В патенте [10] разработана схема совмещенной обмотки асинхронного двигателя с шагом у = 1-10, числом пар полюсов 2р = 2, числом параллельных ветвей а = 1 и числом пазов z = 18. В двухслойных пазах
число витков в 2 раза меньше, чем число витков в однослойных пазах,
благодаря тому, что совмещенная обмотка содержит 6 катушек и выполнена комбинированной. Число mз витков нечетных катушек и число
mтр витков четных катушек удовлетворяет соотношению:
14
тр
√3,
(1)
Рис. 13. Вариант схемы двухслойной обмотки
для числа параллельных ветвей а = 1 асинхронного двигателя
Предлагаемая автором разработка дает возможность получить экономию электроэнергии при минимальных капиталовложениях. Также в
полученных двигателях КПД и cos, близки к номинальному в диапазоне
нагрузок от 25 до 150 %, пусковые токи на 35 % меньше, напротив, пусковой момент на 35 % больше, а также понижен уровень акустических
шумов и вибраций двигателя.
Но, так как разработанный Дуюновым, энергоэффективный асинхронный двигатель с совмещенной обмоткой стоит гораздо дороже
обычного двигателя той же мощности, данные траты должны быть обоснованы с экономической точки зрения. Для наглядности сравним и рассчитаем два асинхронных двигателя 4А180М2У3 и АДЭМ180М2.
Чем выше КПД (и соответственно ниже потери в стали), тем меньше
энергии потребляет электродвигатель из сети для создания той же самой мощности P2. В качестве демонстрации экономии электроэнергии
при использовании энергоэффективных двигателей сравним количества
15
потребляемой мощности на примере электродвигателей ABB обычной
(М2АА) и энергоэффективной (М3АА) серий.
1. Двигатель 4А180М2У3 (класс энергоэффективности IE1, заводской двигатель):
мощность Р2 = 30 кВт,
n = 3000 об/мин,
η = 90,5 %,
cosφ = 0,9
Стоимость двигателя: 38 000 руб.
Расчет:
Активная мощность, потребляемая из сети:
P1 =
P2
η
=
30
= 33,15кВт ,
0,905
(2)
Суммарные потери:
∆P = P1 − P2 = 33,15 − 30 = 3,15кВт ,
(3)
Предположим, что данный двигатель работает 24 часа в сутки, 365
дней в году, то количество энергии, теряемое и выделяемое в виде тепла:
Q = 3,15 ⋅ 24 ⋅ 365 = 27587кВт ,
(4)
При средней стоимости электроэнергии 2 руб. за кВт/ч количество
потерянной электроэнергии за 1 год составит:
C = 2 ⋅ 27587 = 55173.5 руб. ,
16
(5)
2. Двигатель АДЭМ180М2 (класс энергоэффективности IE2, с совмещенной обмоткой):
мощность Р2 = 30 кВт,
n = 3000 об/мин,
η = 92 %,
cosφ = 0,88
Стоимость двигателя: 53 200 руб.
Расчет:
P1 =
P2
η
=
30
= 32,6кВт ,
0,920
(6)
∆P = P1 − P2 = 32,6 − 30 = 2,61кВт ,
(7)
Q = 2,61 ⋅ 24 ⋅ 365 = 22852кВт ,
(8)
C = 2 ⋅ 22852 = 45704руб. ,
(9)
Исходя из расчетов, мы видим, что в случае замены обычного электродвигателя на энергоэффективный с совмещенной обмоткой, экономия эл. энергии составляет 4795 кВт в год на один двигатель. При применении 10 таких электродвигателей экономия составит 47350 кВт в год
или в денежном выражении 9469,5 руб./год.
Следовательно, использование энергоэффективных двигателей дает предприятию уменьшить себестоимость производимой продукции,
тем самым, повысив ее конкурентоспособность.
17
Список использованных источников
1. Расчет асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://knowledge.allbest.ru/physics/
3c0b65625a2ad68a4c43b89421216c36.html
(дата
обращения:
26.02.2015).
2. Yuji О., Kazuto Sakai. Permanent Magnet Motor Capable of Changing
the Number of Poles by a Factor of Three // International Conference on
Electrical Machines and Systems. 2013. Busan, Korea. Р. 1122-1126.
3. Hao Z., Rong-xiang Zhao, Huan Yang, Hui Cai. A Vibration Mitigation
Approach for Inverter-fed Permanent Magnet Motor Drive System // IEEE
SENSORS JOURNAL. 2009. Р. 2017-2022.
4. William R., William Finley, Mark Hodowanec, WarrenHolter. Diagnosing
motor vibration problems // Conference Record of 2000 Annual Pulp and
Paper Industry Technical Conference. 2000. 19-23. Р. 165-180.
5. Li J., Liu Z., Nay L. Effect of Radial Magnetic Forces in Permanent Magnet Motors With Rotor Eccentricity // IEEE Transactions on Magnetics.
2007. V. 43. Is. 6. Р. 2525-2527.
6. Bogh D., Crowell J., Amstutz R. IEEE 841 motor vibration // Industry Applications Magazine. 2005. IEEE. V. 11. № 6. P. 32-37.
7. Bose B. Modern Power Electronics and AC Drives. Beijing, China Machine Press, 2003.
8. Pillay P., Allen C.R., Budhabhathi R. DSP-based vector and current controllers for a permanent magnet synchronous motor drive // Conference
Record of the 1990 IEEE Industry Applications Society Annual Meeting.
1990. V. 1. 7-12. Р. 539-544.
9. Дуюнов Д., Агриков Ю., Блинов В., Яковлев И. Малошумный асинхронный двигатель // Патент Российской Федерации RU2507664. 2011.
10. Дуюнов Д. Асинхронный двигатель с совмещенными обмотками //
Энергосовет. 2013. № 2 (27). С. 19-25.
18