Особенности электрических двигателей АББ.

Информация может быть не достоверна

Особенности электрических двигателей АББ. Пути повышения производительности, надежности и снижения расхода электроэнергии.

"Двигатели и генераторы" подразделения «Дискретная автоматизация и движение»

Компания ABB имеет более чем 120-летний опыт производства двигателей и генераторов. Значительные ресурсы, наличие сбытовой сети по всему миру, а также система технического обслуживания нашей продукции делает компанию ABB ведущим мировым лидером в этом секторе. Двигатели АББ находят самое широкое применение практически во всех отраслях промышленности и заслужили самую высокую репутацию, благодаря исключительной надежности и производительности. Тщательно разработанная конструкция и процесс производства двигателей обеспечивают высочайшее качество этих машин.

В современном электромашиностроении самыми актуальными разработками являются энергоэффективные асинхронные двигатели. КПД таких двигателей выше, чем у традиционных на 1-10%. Необходимо отметить, что доля затрат на электроэнергию только за один год эксплуатации в 3-5 раз больше стоимости самого двигателя. За свой срок службы двигатель потребляет электроэнергии на сумму в 100 раз превышающую ту, которую за него когда-то заплатили. При эксплуатации высокоэффективных двигателей получается значительная экономия энергопотребления

Одним из главных показателей двигателей являются суммарные потери ΔP, характер распределения которых представлен в таблице 1.

Таблица 1

Распределение потерь в электродвигателе M3BP производства компании АББ

Высокий КПД в двигателях достигается за счет [1]:

- увеличения массы активных материалов - меди и стали;

- применения более тонкой и высококачественной электротехнической стали;

- использования меди вместо алюминия в качестве материала обмоток ротора;

- уменьшения воздушного зазора между ротором и статором с помощью высокоточного технологического оборудования;

- оптимизации зубцово-пазовой зоны магнитопроводов и конструкции обмоток;

- применение подшипников высокого качества;

- конструкции вентилятора и подбором конфигурации воздушного потока через двигатель.

  В общем случае переход к применению энергоэффективных двигателей позволяет:

- повысить КПД  двигателя  на 1-10%;

- увеличить надежность работы двигателя;

- уменьшить время простоев и затраты на техническое обслуживание;

- повысить устойчивость двигателя к тепловым нагрузкам;

- улучшить перегрузочную способность двигателя;

- повысить устойчивость двигателя к различным нарушениям эксплуатационных условий; - пониженному  и повышенному напряжению, искажению формы волн (гармоникам), несбалансированности фаз и т.д.;

- увеличить коэффициент мощности;

- снизить уровень шума.

У машин с повышенным КПД по сравнению с обычными на 15 - 25% выше стоимость, несколько больше масса. Энергоэффективные двигатели  имеют по сравнению с обычными двигателями более малое скольжение (следствием чего частота вращения немного больше) и более высокую величину пускового тока.

В некоторых случаях использование энергоэффективного  двигателя не является  целесообразным [2]:

- если двигатель эксплуатируется непродолжительное время (менее 1 - 2 тыс. часов/год), внедрение энергоэффективного двигателя может не внести существенного вклада в энергосбережение.

- если двигатель эксплуатируется в режимах с частым запуском, сэкономленная электроэнергия может быть израсходована вследствие более высокого пускового тока.

- если двигатель работает с неполной нагрузкой (например, насосы), но на протяжении длительного времени, объемы энергосбережения в результате внедрения энергоэффективного двигателя могут оказаться незначительными по сравнению с потенциалом привода с переменной скоростью.

- каждый дополнительный процент КПД требует увеличения массы активных материалов на 3-6%. При этом возрастает на 20-50% момент инерции ротора. Поэтому высокоэффективные двигатели уступают обычным по динамическим показателям, если при их разработке специально не учитывается это требование [2].

Практика и расчеты показывают, что затраты окупаются за счет сэкономленной электроэнергии при эксплуатации в режиме S1 за год - полтора  (при годовой наработке 7000 часов).

Экономия электроэнергии за год от применения энергоэффективного двигателя при работе его с полной нагрузкой [3]:

Э = P· Н · (1/ η_СТ  -1/ η_ЭЭ ),

где P (кВт) - средняя мощность, потребляемая двигателем;

Н (часов) - время работы двигателя за год;

η _СТ - КПД стандартного двигателя;

η _ЭЭ - КПД энергоэффективного двигателя;

 Время окупаемости Т (лет) без учета затрат на амортизацию составит:

Т = (З_ЭЭ - З_СТ ) / ( С_Э · Э - Р_А·(З_ЭЭ - З_СТ)),

где З_ЭЭ  - затраты на приобретение энергоэффективного двигателя;

З_СТ - затраты на приобретение стандартного двигателя;

С_Э - стоимость электроэнергии;

Р_А -  коэффициент амортизации (например 6% -  Р_А=0,06).

Еще в 1992 г. в США был принят законодательный акт EPACT (Energy Policy Act), установивший минимальный уровень КПД низковольтных трехфазных АД общего применения. В Европейском союзе (ЕС) существует проект "Энергосбережение в электроприводе". Его комиссия, состоящая из производителей электрических машин и силовой электроники (СЕМЕР ) в 1999 г. заключила добровольное соглашение с фирмами-изготовителями о переходе с 2000 г. на классификацию электродвигателей по трем уровням КПД: EFF3 - нормальный, EFF2 - повышенный, EFF1 - высокий. Фирмы брали на себя добровольное обязательство к 2004 г. сократить на 50% производство машин класса EFF3. Список фирм возглавляла компания АББ.

С 2008 года требования к энергоэффективным асинхронным двигателям значительно ужесточены. Принимается стандарт  IEC/EN 60034-30/  в котором установлены четыре класса энергоэффективности IE (Международная энергоэффективность) односкоростных трехфазных асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором.

IE1 - Стандартный класс энергоэффективности (примерно эквивалентный EFF2);

IE2 - Высокий КПД энергоэффективности (примерно эквивалентный EFF1);

IE3 - Очень высокий (новый класс энергоэффективности в Европе в настоящее время и идентичный классу энергоэффективности "NEMA Premium" в США для 60 Гц);

IE4 - Cверх высокий КПД.

Начиная с 16 июня 2011 г., в соответствии с директивой ЕС 2005/32/EC, на европейский рынок допускаются только 2 - 6 - полюсные трехфазные асинхронные двигатели с высоким КПД. Они должны соответствовать, как минимум, классу эффективности IE2 который аналогичен классу эффективности EFF1. Директива действует только на диапазон мощностей 0,75 - 375 кВт.

Внедрение высокоэффективных двигателей стимулируется стремлением сократить вредные выбросы в атмосферу, предусмотренным Киотским протоколом. Известно, что КПД производства, передачи и распределения электроэнергии в среднем равен 33%. Это означает, что каждый киловатт-час, сэкономленный электродвигателем, экономит 3 кВт·часа первичной энергии. А двигатели являются основными ее потребителями, т.е. "виновниками" выделения углекислого газа и образования парникового эффекта.

В России также разработана Энергетическая стратегия, которая предусматривает развёртывание программы энергоэффективности в рамках комплексной политики энергосбережения. Данная программа направлена на создание базисных условий для ускоренного технологического обновления энергетической отрасли, развития современных перерабатывающих производств и транспортных мощностей.  23 ноября 2009 г. Президент Российской Федерации Д.А. Медведев подписал Федеральный закон № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации». Данный закон формирует принципиально новое отношение к процессу энергосбережения. Российский стандарт ГОСТ Р 51677-2000 предусматривает для АД от 1,1 до 400 кВт два уровня КПД: нормальный, практически совпадающий с IE1, и повышенный - типа IE2. Нормальный КПД устанавливается на уровне, достигнутом в единой серии АИ. Суммарные потери в мощности в двигателях с повышенным КПД на 20% ниже, чем в двигателях с нормальным КПД.

Рис. 5. Соотношение между IEC/EN 60034-30   и ГОСТ Р 51677-2000

Компания АББ давно выступает за высокую эффективность, как обязательную стандартную характеристику двигателя, которую заказчик не должен оплачивать как «дополнительную услугу». Выпускаемые компанией АББ двигатели отнесены к двум высшим классам энергетической эффективности IE2/IE3. Двигатели АББ имеют очень высокий КПД даже при частичной нагрузке. В мае 2008 г. компания АББ, с целью удовлетворения требований новых мировых стандартов, запустила в производство новую платформу низковольтных электродвигателей со значительно улучшенными показателями КПД. Эта платформа, в первую очередь, предназначена для ответственных применений в различных областях промышленности, где простой оборудования может привести к значительным экономическим потерям. Такие двигатели, помимо высоких энергетических показателей, обладают более длительным сроком службы, высоким качеством, надежностью.

Низковольтные энергоэффективные двигатели  АББ

АББ запусил новую серию двигателей M3BP ( высота вращения 280-355) с классом энергоэффективности IE4.

Обратим внимание на то, что директива ЕС 2005/32/EC не распространяется на электродвигатели для эксплуатации в зонах повышенной опасности. Тем не менее компания АББ уже производит линейку электродвигателей для эксплуатации в зонах повышенной опасности, соответствующую классу энергоэффективности IE2 с 80 по 180 габарит. В настоящий момент низковольтные электродвигатели АББ для зон повышенной опасности покрывают мощности от 0,37 до   1000 кВт (число полюсов от 2 до 12, типы защиты Exd/de, Ex nA, Ex e, ExtD). Вся продукция соответствует директивам ATEX. Двигатели имеют сертификаты соответствия ГОСТ Р и разрешение на применение Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору.

Компания АББ не сосредотачивается исключительно на эффективности, а предпочитает исходить из долговечности. 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 [7]. В процессах непрерывного производства, внеплановых 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.  В нефтегазовой промышленности надёжность - первоочередная забота. Электродвигатели часто работают в очень суровых условиях, выдерживая жару и холод, агрессивные среды, пыль и влагу. Компания АББ накопила огромный опыт поставки электродвигателей, как для обычных производственных условий эксплуатации, так и для условий экстремальных.

Энергоэффективность и надежность электрической машины действительно неразрывно связаны. Возьмем только один аспект этой проблемы - тепловое воздействие на обмотки двигателя. В основном это тепловые потери. Основная часть электрической энергии, которая в работу не преобразовывается, теряется в виде тепла.

Важнейшим является тот факт что при увеличении КПД электродвигателя на 1-2 % потери могут уменьшится на 20-30%, что очень существенно влияет на его надежность. Степень снижения потерь иллюстрирует таблица 3, в которой приведены величины потерь   и КПД для двигателя мощностью 1000 кВт.

Уменьшение потерь при возрастании КПД двигателя

Так при увеличении КПД на 1% с 96% до 97%, потери уменьшаются на 25%, а при увеличении КПД с  97% до 98%, потери уменьшаются в 1,5 раза.

Чрезмерно высокие температуры внутри двигателя пагубно влияют на срок службы его обмоток, точнее, их изоляцию. Увеличение рабочей температуры всего на 10 % сокращает срок службы обмоток в среднем вдвое. Приведем известную эмпирическую формулу, описывающую зависимость срока службы изоляции от ее температуры [3]:

τ = T₀ · 2^{- Ө /Δ Ө}   ,

где τ - срок службы изоляции при температуре  Ө, годы;  Ө - температура изоляции, ˚С, T₀ - 62250 года,    (T₀ -  условный срок службы изоляции при Ө = 0;  Δ Ө = 8˚ С ). Чем выше класс изоляции, тем дольше происходит ее старение. Это хорошо видно из таблицы 4.

Таблица 4

Зависимость  Δ Ө от класса изоляции

Таким образом, можно  приблизительно оценить срок службы данного класса изоляции при любой температуре. Например, ориентировочно определим срок службы изоляции класса F при 145˚С и 125˚ С.

τ = 62250 · 2^{- 145 / 11,8}  = 12,5 лет;

τ = 62250 · 2^{- 125 / 11,8}  = 39 лет.

В действительности, на срок жизни изоляции влияет целая гамма факторов: повышенные вибрации, термомеханические нагрузки, влага, химические агрессивные среды и.т.д. Статистические данные по эксплуатации электродвигателей показывают, что главными причинами, определяющими срок жизни изоляции, являются температура и вибрация. Влияние этих двух основных факторов значительно снижено в энергоэффективных машинах.

Высоковольтные двигатели АББ заслужили самую высокую репутацию, благодаря исключительной надежности и производительности. Тщательно разработанная конструкция и процесс производства двигателей обеспечивают высочайшее качество этих машин.

Высоковольтные двигатели  АББ

Двигатели для зон с повышенной опасностью являются одним из специальных направлений деятельности компании. Работая вместе с ведущими компаниями по добыче нефти и газа, нефтехимической и химической промышленности, компания АББ разработала широкую номенклатуру изделий, обеспечивающих безопасность, надежность и эффективное использование энергии. Среди двигателей для опасных условий можно выделить следующие группы:

- взрывозащищенные двигатели (EEx d, EEx de, Ex d, Ex de),

- двигатели повышенной безопасности (EEx e),

- искробезопасные двигатели (Еех nА, Ex nA),

Компания АББ уделяет значительное внимание производству высоковольтных двигателей с повышенным КПД. На протяжении многих лет проводится тщательная научно-конструкторская, технологическая работа по совершенствованию этого показателя.

Сравнение отечественного высоковольтного двигателя и двигателя компании АББ приведено в таблице

Сравнение ВВ АД. 6000 В, 50 Гц. 1500 об/мин, IP55, класс изоляции F, класс нагревостойкости В

В производстве высоковольтных  Компания AББ использует экономически эффективные производственные процессы, которые отвечают самым строгим требованиям качества.  Конструкция обмотки статора двигателя совмещает изоляционную систему класса F с технологией вакуумной пропитки под давлением (VPI - vacuum pressure impregnation). Всемирно известная система изоляции (Micadur®  ABB) обеспечивает высокую надежность и длительный срок службы. Обмотки и выводы изолируются материалами, выполненными на основе слюды. Класс «F» является стандартом. Продуманные и испытанные способы фиксации обмоток в пазах и скрепления концов обмоток отличаются надежностью и долговечностью.

 Данная технология используется с 1977 года и широко известна высокой надежностью. Несмотря на то, что изоляция отнесена к тепловому классу F (предельное значение температуры - 155° C), двигатели обычно эксплуатируются по классу B, что означает высокий уровень допустимой перегрузки и продолжительное время работы. Основной импульсный уровень прочности изоляции превышает требования МЭК. Конструкция обмотки рассчитана на значительные механические нагрузки, включая эффекты быстрого автоматического повторного включения в противофазе.

     Для обеспечения оптимальной производительности, высокой энергоэффективности  и максимального срока эксплуатации большинство роторов изготавливается с использованием медных стержней и короткозамыкающих колец. Штампованные стержни ротора обеспечивают дополнительную жесткость, позволяющую двигателям работать в тяжелых условиях в течение длительного времени. Медные стержни припаиваются серебром к медным короткозамыкающим кольцам. Точная компьютеризированная динамическая балансировка проводится для каждого ротора.

Обмотка выполнена из меди.

Внутренняя поверхность корпуса и внешняя поверхность сердечника статора высоковольтных двигателей с повышенным КПД подвергаются тщательной механической обработке до зеркального блеска для обеспечения возможности горячей посадки. Это позволяет минимизировать тепловое сопротивление между сердечником статора и корпусом двигателя и таким образом улучшить процесс охлаждения.

Рис. 9. Обработка поверхностей станины и магнитопровода статора.

Конструкция подшипников обеспечивает надежную продолжительную работу и простоту  обслуживания. Все подшипники изготовлены производителями с отличной репутацией по надежности: SKF Group, Компания FAG, Компания NSK, RENK (подшипник скольжения) - мировые лидеры по производству подшипников,  выпускающие высоконадежные подшипники с большим ресурсом.

В нефтегазовой отрасли активно используются различные виды насосов, компрессоры, тягодутьевые механизмы. Все основное технологическое оборудование разрабатывается под определенную номинальную рабочую мощность, но процесс редко использует этот ресурс, чаще он работает на нагрузках меньше номинальных. Для регулирования параметров технологического процесса традиционными методами применяется дросселирование, т.е. суть сводится к снижению производительности агрегата с увеличением потерь. Наиболее эффективным решением данной проблемы является применение регулируемого привода, который изменяет скорость вращения электродвигателя. АББ, являясь мировым лидером в этой области,  предлагает самый широкий выбор частотно-регулируемых приводов от 180 Вт до 100 МВт на все классы напряжения, которые могут применяться для регулирования скорости вращения. Такие привода объединены общей серией ACS и разделяются по сериям 55, 150, 310, 355, 550, 800 и высоковольтной серии 1000, 2000, 5000, 6000. Все приводы АББ могут интегрироваться в существующие системы АСУ ТП по любым протоколам передачи данных и сетевым интерфейсам с применением как контроллеров АББ серий АС31, АС 500, АС 800, так и других производителей. Применение данных приводов дает ощутимый эффект как экономии электроэнергии, так и улучшения качества процесса и условий труда работников.

Напряжение (или ток), поступающие на двигатель от преобразователя частоты, не является чисто синусоидальными. Это может приводить к увеличению потерь, вибраций и шума двигателя и даже к его повреждению.   Двигатели АББ специально рассчитываются на питание от преобразователя частоты. Кроме стандартных данных, указанных на паспортных табличках, имеется дополнительная информация, относящаяся к машинам, работающим от преобразователей частоты. Конструкция АББ учитывает различные типы  частотно-регулируемых приводов в зависимости от используемой электромагнитной модели. Двигатели АББ для приводов с регулируемой скоростью имеют изолированный подшипник на неприводном конце вала, исключающий токи подшипников.

В зависимости от условий работы и выполняемых технологических задач все электродвигатели АББ можно легко модифицировать: устанавливать датчики контроля температуры, применять различные типы подшипников и смазки, монтировать нагревательные элементы, повышать степени защиты; использовать изоляцию с более высоким классом нагревостойкости, изменить расположение клемной коробки, выполнить вал любой конфигурации.

Двигатели разрабатываются и производятся таким образом, чтобы обеспечить долговременную безотказную эксплуатацию при минимальном техническом обслуживании. В том случае, если возникает необходимость в обслуживании, сервисная сеть компании АББ оказывает немедленную помощь и поддержку.

Cчитаем необходимым осветить еще один важный аспект, связанный с энергосбережением и надежностью. Рынок ремонтных работ примерно в три раза превышает возможности производства новых двигателей. Капитальный  ремонт электродвигателя включает полную замену обмоток статора. Для извлечения старой обмотки в большинстве случаев применяется тепловое воздействие на статор вместе со станиной. Температура при этом - 200-250°С держится в течение 2-3 часов. Такая операция значительно ухудшает свойства электротехнической стали, увеличивает ее магнитные потери, прежде всего, из-за разрушения электроизоляционного покрытия между отдельными листами магнитопровода. Эти магнитные потери существенно снижают КПД двигателя и приводят к интенсивному нагреву его обмоток, особенно если мощность двигателя более 15-30 кВт. В этом случае потери в стали могут составлять до 40% от общих потерь. Кроме того вследствие нагрева статор может быть деформирован. Нарушается равномерность воздушного зазора между статором и ротором, появляется касание ротора о статор, увеличивается общая вибрация электромашины. Перемотка машины плохо контролируется. Ремонтные цеха зачастую не имеют  необходимого оборудования, а также информации об обмоточных данных двигателя. Исследования подтверждают, что ремонт снижает КПД электродвигателя как минимум на 0,5-1%. Во многих случаях эта цифра возрастает до 4-5 %. Последствия ремонта негативно сказываются на эксплуатации этих машин, стоимость которых возрастает за счет снижения КПД. Чем выше номинальная мощность двигателя, тем больше сказывается перемотка на его эксплуатационных свойствах. Приведем таблицу из исследований Европейской комиссии по энергосбережению наглядно характеризующую варианты действия потребителя [4]. Здесь экономически сравниваются четыре возможных решения потребителя. Мощность двигателя 45 кВт, время работы 4000 часов в год. Тариф 0,06 Евро/кВт час.

Варианты действия потребителя при замене поломанного двигателя

Выводы из этих данных очевидны.

Срок окупаемости при приобретении энергоэффективного двигателя вместо перемотки вышедшего из строя старого двигателя, можно оценить следующим образом:

Т =  (З_ЭЭ - З_РЕМ ) /(( С_Э · P·H·( 1/η_ЭЭ - 1/η_РЕМ)),

где, Т - время окупаемости (лет);

З_ЭЭ , η_ЭЭ  - затраты на приобретение энергоэффективного двигателя и  его КПД;

З_РЕМ , η_РЕМ  - затраты на перемотку существующего двигателя и  новый КПД перемотанного двигателя;

С_Э - стоимость электроэнергии;

P (кВт) - средняя мощность, потребляемая двигателем;

Н (часов) - время работы двигателя за год.

Перечислим основные факторы, которые следует принимать во внимание при решении вопроса - заменить старый испорченный электродвигатель на новый энергоэффективный или отремонтировать его:

1. Вид повреждения двигателя в смысле возможности высококачественного ремонта;

2. Реальный КПД старого двигателя или оценочный КПД после ремонта;

3. КПД нового энергоэффективного двигателя;

4. Цена нового двигателя; стоимость ремонта, стоимость электроэнергии;

5. Время работы двигателя в год и коэффициент загрузки;

6. Целесообразность и возможность дополнительных финансовых вложений.

В заключении  обратим внимание на то, что при рассмотрении экономического эффекта от применения  энергоэффективных электродвигателей необходимо учитывать весь спектр вопросов по экономии средств: энергосбережении, сокращении расходов на техобслуживание, минимизации рисков, связанных с поломкой двигателей и простоем оборудования.