Energieeffiziente Motoren. Energieeinsparung beim Betrieb von Elektromotoren. Kapazitätsverteilung nach unterschiedlichen Standards
Drehmomentstarke, geräuscharme und energieeffiziente Asynchronmotoren mit kombinierten Wicklungen
Hauptvorteile:
Ein Beispiel für solche Motoren sind asynchrone Elektromotoren(AD) ADEM-Serie. Sie können beim Hersteller erworben werden UralElectro. Die Motoren der ADEM-Serie entsprechen in Bezug auf Einbau- und Anschlussmaße vollständig der Norm GOST R 51689. In Bezug auf die Energieeffizienzklasse entsprechen sie IE 2 gemäß IEC 60034-30.
Durch die Durchführung von Modernisierungs-, Reparatur- und Servicearbeiten an Motoren unterschiedlicher Modifikation ist es möglich, deren Hauptmerkmale im Bereich der Reduzierung des Stromverbrauchs und der Erhöhung der Ausfallzeit um das 2- bis 5-fache auf das Niveau von ADEM-Motoren zu bringen
Nach Angaben internationaler Experten verbrauchen 90 % der bestehenden Pumpwerksflotte 60 % mehr Strom als für bestehende Systeme erforderlich ist. Man kann sich leicht vorstellen, welche Mengen das sind natürliche Ressourcen kann eingespart werden, wenn man bedenkt, dass der Anteil von Pumpen am weltweiten Stromverbrauch etwa 20 % beträgt.
Die Europäische Union hat eine neue Norm IEC 60034-30 entwickelt und verabschiedet, nach der drei Energieeffizienzklassen (IE – International Energy Efficiency) für eintourige dreiphasige Asynchron-Käfigläufermotoren festgelegt sind:
IE1 ist eine Standard-Energieeffizienzklasse – entspricht in etwa der derzeit in Europa verwendeten Energieeffizienzklasse EFF2;
IE2 - hochklassig Energieeffizienz – entspricht in etwa der Energieeffizienzklasse EFF1,
IE3 – die höchste Energieeffizienzklasse – eine neue Energieeffizienzklasse für Europa.
Gemäß den Anforderungen der genannten Norm gelten die Änderungen für nahezu alle Motoren im Leistungsbereich von 0,75 kW bis 375 kW. Die Umsetzung des neuen Standards in Europa erfolgt in drei Schritten:
Ab Januar 2011 müssen alle Motoren der Klasse IE2 entsprechen.
Ab Januar 2015 müssen alle Motoren zwischen 7,5 und 375 kW mindestens der Klasse IE3 entsprechen; In diesem Fall ist ein Motor der Klasse IE2 zulässig, jedoch nur bei Betrieb mit einem Frequenzumrichter.
Ab Januar 2017 müssen alle Motoren zwischen 0,75 und 375 kW mindestens der Klasse IE3 entsprechen; In diesem Fall ist bei Betrieb mit einem Frequenzumrichter auch ein Motor der Klasse IE2 zulässig.
Alle nach der IE3-Norm gefertigten Motoren sparen unter bestimmten Voraussetzungen bis zu 60 % elektrische Energie. Die in neuen Elektromotoren eingesetzte Technologie ermöglicht es, Verluste in der Statorwicklung, den Statorplatten und dem Motorrotor zu minimieren, die durch Wirbelströme und Phasenverzögerung entstehen. Darüber hinaus minimieren diese Motoren Verluste durch Stromfluss durch die Schlitze und Schleifringe des Rotors sowie Reibungsverluste in Lagern.
Der Elektroantrieb ist der Hauptverbraucher elektrischer Energie.
Heute verbraucht es mehr als 40 % des gesamten erzeugten Stroms, im Wohnungsbau und bei kommunalen Dienstleistungen sogar bis zu 80 %. Dies macht das Problem der Energieeinsparung bei elektrischen Antrieben und elektrischen Antriebsmitteln angesichts knapper Energieressourcen besonders akut.
Aktueller Stand der Forschung und Entwicklung im Bereich der Projektumsetzung
IN letzten Jahren Aufgrund des Aufkommens zuverlässiger und kostengünstiger Frequenzumrichter haben sich einstellbare Asynchronantriebe weit verbreitet. Obwohl ihr Preis immer noch recht hoch ist (zwei- bis dreimal teurer als der Motor), ermöglichen sie in einigen Fällen eine Reduzierung des Stromverbrauchs und eine Verbesserung der Motoreigenschaften, indem sie näher an die Motoreigenschaften herangeführt werden Gleichstrom. Auch die Zuverlässigkeit von Frequenzreglern ist um ein Vielfaches geringer als die von Elektromotoren. Nicht jeder Verbraucher hat die Möglichkeit, so viel Geld in den Einbau von Frequenzreglern zu investieren. In Europa sind im Jahr 2012 lediglich 15 % der verstellbaren Elektroantriebe mit Gleichstrommotoren ausgestattet. Daher ist es wichtig, das Problem der Energieeinsparung hauptsächlich in Bezug auf asynchrone elektrische Antriebe, einschließlich Antrieben mit variabler Frequenz, zu betrachten, die mit Spezialmotoren mit geringerem Materialverbrauch und geringeren Kosten ausgestattet sind.
In der weltweiten Praxis gibt es zwei Hauptrichtungen zur Lösung dieses Problems:
Erste– Energieeinsparung durch elektrische Antriebe durch Bereitstellung der benötigten Energie zu jedem Zeitpunkt des Endverbrauchers.
Zweite– Produktion energieeffizienter Motoren, die dem IE-3-Standard entsprechen.
Im ersten Fall zielen die Bemühungen darauf ab, die Kosten für Frequenzumrichter zu senken. Im zweiten Fall zur Entwicklung neuer Elektromaterialien und Optimierung der Hauptabmessungen elektrischer Maschinen.
Neuheit des vorgeschlagenen Ansatzes
Die Essenz technologischer Lösungen
Form des Feldes im Arbeitsspalt eines Standardmotors.
Feldform im Arbeitsspalt eines Motors mit kombinierten Wicklungen.
Die Hauptvorteile eines Motors mit kombinierten Wicklungen:
führt zu zusätzlichen Energieverlusten. Nach einer konservativen Schätzung erreicht dieser Wert 15-20% aus der Gesamtstromaufnahme der Motorlast ( insbesondere Niederspannungs-Elektroantrieb). Mit einem Rückgang der Produktionsmengen Ein Teil des Antriebs wird aus technologischen Gründen nicht abgeschaltet. Während dieser Zeit arbeitet der Antrieb mit einem niedrigeren Nennleistungsnutzungsfaktor ( oder läuft sogar im Leerlauf). Dies nimmt natürlich zu Verluste im Elektroantrieb. Anhand der vorgestellten Messungen und vereinfachten Berechnungen wurde festgestellt, dass die durchschnittliche Belastung des Elektroantriebs den Wert nicht überschreitet 50-55% von der Nennleistung des Elektroantriebs. Eine nicht optimale Belastung von Asynchronmotoren (IM) führt dazu, dass tatsächliche Verluste auftreten übertreffen die Norm. Die Stromabnahme ist aufgrund einer Verringerung des Leistungsfaktors in keinem Verhältnis zur Leistungsabnahme. Dieser Effekt geht mit ungerechtfertigten zusätzlichen Verlusten in den Verteilnetzen einher. Geschätzte Abhängigkeit von der Höhe der Stromverluste Bei Motoren kann die Höhe ihrer Belastung in Form einer Grafik dargestellt werden ( siehe Bild unten). Einer der charakteristischen „Fehler“ ist die Verwendung des Durchschnittswerts in Berechnungen cos, was zu einer Verzerrung des tatsächlichen Bildes des Zusammenhangs zwischen Wirk- und Blindenergie führt.
Durch die Erweiterung des dynamischen Bereichs hoher Effizienz- und Cos-Werte für einen Asynchronmotor können Sie den Verlust an verbrauchtem Strom deutlich reduzieren!
Begründung des Projekts und angewandte Lösungen
1. Wicklungen
Seit mehr als 100 Jahren unternehmen Erfinder in allen Industrieländern der Welt erfolglose Versuche, Elektromotoren zu erfinden, die Gleichstrommotoren durch einfachere, zuverlässigere und kostengünstigere Asynchronmotoren ersetzen könnten.
In Russland wurde eine Lösung gefunden, der tatsächliche Erfinder lässt sich heute jedoch nicht ermitteln.
Es gibt ein Patent RU 2646515 (nicht gültig ab 1. Januar 2013) mit Priorität vom 22. Juli 1991, Autoren: V. G. Vlasova und N. M. Morozova, Patentinhaber: Wissenschafts- und Produktionsvereinigung „Kuzbasselektromotor“ – „Statorwicklung eines Zweimotors“ Pol-Drehstrom-Asynchronmotor“, der fast vollständig den späteren Patentanmeldungen von N.V. Yalovega, einem Lehrer am Moskauer Institut für Elektronische Technologie, aus dem Jahr 1995 entspricht (für diese Anmeldungen wurden keine Patente erteilt). Es stellt sich heraus, dass die ursprüngliche Idee nicht von N.V. Yalovega stammte, der den Erfindern überall vorgestellt wird – der „Russische parametrische Motor Yalovega“ (RPYA). Es gibt jedoch ein US-Patent, das am 29. Juni 1993 an N.V. Yalovega, S.N. Yalovega, erteilt wurde. und Belanov K.A. für einen Elektromotor ähnlich dem RF-Patent von 1991, aber es gelang niemandem, einen Elektromotor auf der Grundlage der genannten Patente zu entwickeln Die theoretische Beschreibung enthält keine Informationen über die konkrete Gestaltung der Wicklungen und die „Autoren“ können daher keine Erklärungen abgeben keine „Vision“ für die Anwendung der Erfindung haben.
Die oben beschriebene Situation mit Patenten weist darauf hin, dass die „Autoren“ der Patente keine echten Erfinder sind, sondern höchstwahrscheinlich ihre Umsetzung von einem Praktiker „ausspioniert“ haben – einem Asynchronmotor-Wickler, aber nicht in der Lage waren, eine echte Anwendung des Effekts zu entwickeln.
Ein Elektromotor mit 2x3 gegeneinander verschobenen Doppelschichtwicklungen wird als asynchroner Elektromotor mit kombinierten Wicklungen (AEM CO) bezeichnet. Die Eigenschaften von CO AED ermöglichten es, auf seiner Basis eine ganze Reihe technologischer Geräte zu schaffen, die den strengsten Anforderungen energiesparender Technologien gerecht werden. Abgeschlossene CO-AED-Projekte deckten den Leistungsbereich von 0,25 kW bis 2000 kW ab.
2. Verbindung
Zur Füllung der Motorwicklungen wird ein PCM-Compound auf Basis von Methylvinylsiloxankautschuk mit nanoskaligen mineralischen Füllstoffen verwendet.
PCM ist ein vielversprechendes energie- und ressourcenschonendes Material für die Herstellung von elektrischen Drähten und Kabeln sowie Gummiprodukten einer breiten Palette. Ermöglicht den Austausch von im Ausland hergestellten Drähten im Temperaturbereich von -100 bis +400. Ermöglicht eine Reduzierung des Nutzquerschnitts des Kabels um das 1,5- bis 3-fache bei gleicher Strombelastung. Für die Produktion werden russische mineralische und organische Rohstoffe verwendet.
Es wird auf der Basis von halogenfreiem (Fluor, Chlor) Organosiliciumkautschuk hergestellt und weist im Vergleich zu herkömmlichen Materialien, die für diese Zwecke verwendet werden, eine Reihe wichtiger und nützlicher Leistungseigenschaften auf:
Zur Prüfung eingereichte Drähte mit PCM übertreffen die Standardtemperaturparameter der Isolierung (GOST 26445-85, GOST R IEC 60331-21 2003) und können in modernen Automobil-, Luftfahrt-, Schiffs- und anderen elektrischen Geräten im Temperaturbereich von - verwendet werden. 100°C bis + 400°C.
Die mechanischen Eigenschaften von PCM ermöglichen den Einsatz sowohl im statischen als auch im dynamischen Betriebsmodus elektrischer Geräte, die einer Hochtemperaturerhitzung ausgesetzt sind, ohne Einwirkung von offenem Feuer bis zu einer Temperatur von +400 °C und bei offenem Feuer bis zu einer Temperatur von + 240 Minuten bei 700 °C.
Drahtverdrillungen (Kabel) können einer kurzzeitigen 20-fachen Stromüberlastung (bis zu 10 Minuten) standhalten, ohne ihre Isolierung zu verletzen, was die GOST-Stromversorgungsstandards für verschiedene Geräte, zum Beispiel Automobil, Luftfahrt, Schifffahrt usw., deutlich übertrifft.
Durch externes Anblasen des PCM kann die Teerhöht werden (abhängig vom Einblasstrom).
Beim Verbrennen der Isolierung werden keine giftigen Stoffe freigesetzt. Der Geruch durch die Verdunstung der äußeren Farbe von PCM tritt bei einer Temperatur von plus 160 – 200 °C auf.
Es gibt abschirmende Eigenschaften der Leiterisolierung.
Entgasung, Dekontamination, Desinfektion und andere Lösungen haben keinen Einfluss auf die Qualität der Drahtisolierung.
Die zur Prüfung eingereichten Drähte vom Typ ICM entsprechen GOST 26445-85, GOST R IEC 60331-21-2003 „Hitzebeständige Kabel mit Silikonisolierung, tragbare Drähte mit Gummiisolierung“.
3. Lager
Um den Reibungskoeffizienten in Lagern zu reduzieren, wird das mineralische Gleitmittel CETIL verwendet.
Besonderheiten:
Kontinuierlicher Schutz vor Verschleiß reibender Metallteile ist gewährleistet;
Die langfristige Eigenschaftskonstanz ist gewährleistet;
Hohe Effizienz und Energieeffizienz;
Optimierung des Betriebs aller mechanischen Komponenten;
Hohe Reinheit des Prozesses durch ausschließliche Verwendung mineralischer Bestandteile;
Umweltfreundlichkeit;
Ständige Reinigung der Mechanik von Kohlenstoffablagerungen und Schmutz;
Es entstehen keinerlei schädliche Emissionen.
Vorteile von CETIL-Festschmierstoffen:
Die wirksame Konzentration von CETYL in Ölen und Schmiermitteln beträgt 0,001 – 0,002 %.
CETIL bleibt auch nach dem vollständigen Ablassen des Öls (bei Trockenreibung) auf den Reibflächen und eliminiert die Auswirkungen der Grenzreibung vollständig.
CETYL ist eine chemisch inerte Substanz, oxidiert nicht, verbrennt nicht und behält seine Eigenschaften auf unbestimmte Zeit.
Funktioniert bei Temperaturen bis zu 1600 Grad.
Der Einsatz von CETIL erhöht die Lebensdauer von Ölen und Schmierstoffen um ein Vielfaches.
CETIL ist ein Nanokomplex aus Mineralpartikeln – die Partikelgröße des Ausgangskonzentrats beträgt 14–20 nm.
Es gibt auf der Welt keine Analoga mit solchen Eigenschaften.
Fast 100 Jahre Seit es Asynchronmotoren gibt, wurden die verwendeten Materialien, die Konstruktion einzelner Komponenten und Teile sowie die Fertigungstechnologie verbessert; jedoch die grundlegenden Designlösungen, die der russische Erfinder vorgeschlagen hat M. O. Dolivo-Dobrovolsky blieb bis zur Erfindung der Motoren mit kombinierten Wicklungen im Wesentlichen unverändert.
Methodische Ansätze zur Berechnung von Asynchronmotoren
Traditioneller Ansatz zur Berechnung eines Asynchronmotors
Moderne Ansätze zur Berechnung von Asynchronmotoren verwenden das Postulat von Sinuswellenidentität Fluss des Magnetfeldes und seine Gleichmäßigkeit unter allen Statorzähnen. Basierend auf diesem Postulat wurden Berechnungen durchgeführt ein Statorzahn, und die maschinelle Modellierung wurde basierend auf den oben genannten Annahmen durchgeführt. Gleichzeitig wurden Inkonsistenzen zwischen den berechneten und realen Modellen des Betriebs eines Asynchronmotors durch den Einsatz einer Vielzahl von Korrekturfaktoren ausgeglichen. In diesem Fall wurde die Berechnung für die Nennbetriebsart eines Asynchronmotors durchgeführt.
Der Kern unseres neuen Ansatzes besteht darin, dass bei den Berechnungen ein Zeitschnitt der Momentanwerte des magnetischen Flusses für jeden Zahn vor dem Hintergrund der Feldverteilung aller Zähne durchgeführt wurde. Ein schrittweiser (zeitbasierter) und Bild-für-Bild-Schnitt der Dynamik der Magnetfeldwerte für alle Statorzähne von seriellen Asynchronmotoren ermöglichte es, Folgendes festzustellen:
das Feld auf den Zähnen hat keine Sinusform;
das Feld fehlt abwechselnd an einigen Zähnen;
Das Magnetfeld, das nicht sinusförmig ist und im Raum Diskontinuitäten aufweist, bildet im Stator die gleiche Stromstruktur.
Im Laufe der Jahre wurden viele tausend Messungen und Berechnungen der momentanen Magnetfeldwerte im Raum von Asynchronmotoren verschiedener Baureihen durchgeführt. Dadurch war es möglich, eine neue Methodik zur Berechnung des Magnetfelds zu entwickeln und wirksame Möglichkeiten zur Verbesserung der Grundparameter von Asynchronmotoren aufzuzeigen.
Um die Eigenschaften des Magnetfelds zu verbessern, wurde eine naheliegende Methode vorgeschlagen – die Kombination von zwei Stern- und Dreieckschaltungen in einer Wicklung.
Diese Methode wurde bereits von einer Reihe von Wissenschaftlern und talentierten Ingenieuren, die elektrische Maschinen wickelten, verwendet, sie folgten jedoch einem empirischen Weg.
Der Einsatz kombinierter Wicklungen in Kombination mit einem neuen Verständnis der Theorie elektromagnetischer Prozesse in Asynchronmotoren ergab atemberaubender Effekt!!!
Energieeinsparung bei gleichbleibendem Wert nützliche Arbeit, erreicht 30-50 %, sinkt um 30-50 % Anlaufstrom. Das maximale und das Startdrehmoment werden erhöht, der Wirkungsgrad ist über einen weiten Lastbereich hoch, der cos wird erhöht und der Motorbetrieb bei reduzierter Spannung wird erleichtert.
Die massive Einführung von Asynchronmotoren mit kombinierten Wicklungen wird den Energieverbrauch um mehr als 30 % senken und die Umweltsituation verbessern.
Im Januar 2012 begann das Werk UralElectro mit der Serienproduktion von Asynchronmotoren mit kombinierten Wicklungen im allgemeinen Industriedesign der ADEM-Serie.
Derzeit wird daran gearbeitet, Traktionsantriebe auf Basis von Motoren mit kombinierten Wicklungen für Elektrofahrzeuge zu schaffen.
Am 31. Januar 2012 machte ein Elektroauto mit einem solchen Antrieb seine erste Fahrt. Die Tester schätzten die Vorteile des Antriebs gegenüber herkömmlichen asynchronen und seriellen Antrieben.
Zielmärkte in der Russischen Föderation
Tabelle für den Einsatz von Asynchron-Elektromotoren mit kombinierten Wicklungen (EDSO) bzw. die Modernisierung konventioneller Asynchron-Elektromotoren auf das ADSO-Niveau für Personenbeförderung, Elektrotransport, Wohnungs- und Kommunaldienstleistungen, Elektrowerkzeuge und bestimmte Arten von Industrieanlagen
Schlussfolgerungen
Das Projekt asynchroner Elektromotoren mit kombinierten Wicklungen (ADSO) verfügt über umfangreiche Märkte in der Russischen Föderation und im Ausland gemäß IEC 60034-30.
Um den Markt der Asynchronmotoren mit kombinierten Wicklungen zu dominieren, ist der Bau einer Anlage mit einem Jahresprogramm von 2 Millionen Motoren und 500.000 Einheiten erforderlich. Frequenzumrichter (FC) pro Jahr.
Produktpalette der Anlage, tausend Stück.
Etwa 60 % des in der Industrie verbrauchten Stroms werden für elektrische Antriebe von Arbeitsmaschinen aufgewendet. Gleichzeitig sind Elektromotoren die Hauptverbraucher von Elektrizität Wechselstrom. Abhängig von der Struktur der Produktion und der Art der technologischen Prozesse beträgt der Anteil des Energieverbrauchs von Asynchronmotoren 50...80 %, der von Synchronmotoren 6...8 %. Der Gesamtwirkungsgrad von Elektromotoren liegt bei etwa 70 %, daher spielt ihre Energieeffizienz eine wesentliche Rolle bei der Lösung des Problems der Energieeinsparung.
Im Bereich der Entwicklung und Produktion von Elektromotoren wurde ab dem 1. Juni 2012 die nationale Norm GOST R 54413-2011 eingeführt, die auf der internationalen Norm IEC 60034-30:2008 basiert und vier Energieeffizienzklassen für Motoren festlegt: IE1 - normal (Standard), IE2 – erhöht, IE3 – Premium, IE4 – Super-Premium. Die Norm sieht eine schrittweise Umstellung der Produktion auf höhere Energieeffizienzklassen vor. Ab Januar 2015 müssen alle hergestellten Elektromotoren mit einer Leistung von 0,75...7,5 kW eine Energieeffizienzklasse von mindestens IE2 und 7,5...375 kW - mindestens IE3 oder IE2 (mit vorgeschriebenem Frequenzumrichter) aufweisen. Ab Januar 2017 müssen alle hergestellten Elektromotoren mit einer Leistung von 0,75...375 kW eine Energieeffizienzklasse von mindestens IE3 oder IE2 aufweisen (zulässig beim Betrieb im Frequenzumrichter).
Bei Asynchronmotoren wird eine erhöhte Energieeffizienz erreicht durch:
Der Einsatz neuer Elektrobandsorten mit geringeren spezifischen Verlusten und geringerer Kernblechdicke.
Reduzierung des Luftspalts zwischen Stator und Rotor und Sicherstellung seiner Gleichmäßigkeit (hilft, die Magnetisierungskomponente des Statorwicklungsstroms zu reduzieren, Differenzverluste zu reduzieren und elektrische Verluste zu reduzieren).
Reduzierung elektromagnetischer Belastungen, d.h. eine Zunahme der Masse der aktiven Materialien mit einer Abnahme der Windungszahl und einer Zunahme des Querschnitts des Wicklungsleiters (führt zu einer Abnahme des Wicklungswiderstands und der elektrischen Verluste).
Optimierung der Geometrie der Zahnzone, Einsatz moderner Isolier- und Imprägnierlacke, Wickeldraht neuer Marken (Erhöhung des Nutfüllkoeffizienten mit Kupfer auf 0,78...0,85 statt 0,72...0,75 bei Standard-Energieeffizienz-Elektromotoren). ). Führt zu einer Reduzierung des Wicklungswiderstands und der elektrischen Verluste.
Die Verwendung von Kupfer zur Herstellung kurzgeschlossener Rotorwicklungen anstelle von Aluminium (führt zu einer Reduzierung des elektrischen Widerstands der Rotorwicklung um 33 % und einer entsprechenden Reduzierung der elektrischen Verluste).
Die Verwendung hochwertiger Lager und stabiler Schmierstoffe mit niedriger Viskosität, wobei die Lager außerhalb des Lagerschilds angeordnet sind (verbessert den Luftstrom und die Wärmeübertragung des Lagers, reduziert den Geräuschpegel und mechanische Verluste).
Optimierung des Designs und der Leistung des Lüftungsgeräts unter Berücksichtigung einer geringeren Erwärmung der Elektromotoren bei erhöhter Energieeffizienz (reduziert Geräuschpegel und mechanische Verluste).
Die Verwendung einer höheren Wärmebeständigkeitsklasse der Isolierung F bei gleichzeitiger Gewährleistung einer Überhitzung gemäß Klasse B (ermöglicht es Ihnen, eine Überlastung der Leistung im Antrieb mit systematischen Überlastungen von bis zu 15 % zu vermeiden, Motoren in Netzen mit erheblichen Spannungsschwankungen zu betreiben, sowie bei erhöhten Temperaturen Umfeld ohne Lastreduzierung).
Berücksichtigung der Möglichkeit, bei der Konstruktion mit einem Frequenzumrichter zu arbeiten.
Die Serienproduktion energieeffizienter Motoren beherrschen namhafte Unternehmen wie Siemens, WEG, General Electric, SEW Eurodrive, ABB, Baldor, MGE-Motor, Grundfos und ATB Brook Crompton. Ein großer inländischer Hersteller ist der russische Elektrotechnikkonzern RUSELPROM.
Die größte Steigerung der Energieeffizienz lässt sich bei Synchronmotoren mit Permanentmagneten erzielen, was durch das Fehlen von Hauptverlusten im Rotor und den Einsatz von Hochenergiemagneten erklärt wird. Im Rotor entstehen aufgrund der fehlenden Erregerwicklung nur zusätzliche Verluste durch höhere Harmonische im Rotorkern, Permanentmagnete und Kurzschlüsse Beginn des Aufziehens. Für die Herstellung von permanenten Rotormagneten wird eine hochenergetische Neodym-Basislegierung NdFeB verwendet, deren magnetische Parameter zehnmal höher sind als die von Ferritmagneten, was zu einer deutlichen Effizienzsteigerung führt. Es ist bekannt, dass der Wirkungsgrad der meisten Permanentmagnet-Synchronmotoren der Energieeffizienzklasse IE3 entspricht und in einigen Fällen sogar über IE4 liegt.
Zu den Nachteilen von Permanentmagnet-Synchronmotoren gehören: ein mit der Zeit abnehmender Wirkungsgrad aufgrund der natürlichen Verschlechterung der Permanentmagnete und ihre hohen Kosten.
Die Lebensdauer von Permanentmagneten beträgt 15...30 Jahre, kann sich jedoch durch Vibrationen, Korrosionsneigung bei hoher Luftfeuchtigkeit und Entmagnetisierung bei Temperaturen ab 150° C (je nach Marke) auf 3...5 Jahre verkürzen Jahre.
Der größte Produzent und Exporteur von Seltenerdmetallen (REM) ist China, das 48 % der weltweiten Ressourcen besitzt und 95 % des weltweiten Bedarfs deckt. In den letzten Jahren hat China den Export von Seltenerdmetallen erheblich eingeschränkt, was zu einer Verknappung auf dem Weltmarkt und zur Aufrechterhaltung hoher Preise geführt hat. Russland besitzt 20 % der weltweiten Seltenerdmetallressourcen, ihre Produktion macht jedoch nur 2 % der Weltproduktion aus, und die Produktion von Seltenerdmetallprodukten beträgt weniger als 1 %. Daher werden die Preise für Permanentmagnete in den kommenden Jahren hoch sein, was sich auf die Kosten von Permanentmagnet-Synchronmotoren auswirken wird.
Es wird daran gearbeitet, die Kosten für Permanentmagnete zu senken. Das National Institute of Materials Science NIMS (Japan) hat eine Marke von Permanentmagneten auf Basis von Neodym NdFe12N mit einem geringeren Neodymgehalt (17 % statt 27 % in NdFe12B), besseren magnetischen Eigenschaften und einer hohen Entmagnetisierungstemperatur von 200 °C entwickelt. Es sind Arbeiten zur Herstellung von Permanentmagneten ohne Seltenerdmetalle auf der Basis von Eisen und Mangan bekannt, die Folgendes aufweisen: beste Eigenschaften als bei Seltenerdmetallen und werden bei hohen Temperaturen nicht entmagnetisiert.
Permanentmagnet-Synchronmotoren mit der Energieeffizienzklasse IE4 werden hergestellt von: WEG, Baldor, Marathon Electric, Nova Torque, Grundfos, SEW Eurodrive, WEM Motors, Bauer Gear Motor, Leroy Somer, Mitsubishi Electric, Hitachi, Lafert Motors, Lönne, Hiosung, Motorgeneratortechnik, Hannig Electro-Werke, Yaskawa.
Moderne Baureihen von Elektromotoren sind für den Betrieb mit Frequenzumrichtern geeignet und verfügen über folgende Eigenschaften Designmerkmale: Wickeldraht mit zweilagiger hitzebeständiger Spulenisolierung; Isolierstoffe, ausgelegt für Spannungen bis zum 2,2-fachen der Nennspannung; elektrische, magnetische und geometrische Symmetrie des Elektromotors; isolierte Lager und zusätzlicher Erdungsbolzen am Gehäuse; Zwangsbelüftung mit tiefem Regelbereich; Installation von Hochfrequenz-Sinusfiltern.
Auf dem Markt bekannte Hersteller wie Grundfos, Lafert Motors und SEW Eurodrive produzieren Elektromotoren mit integrierten Frequenzumrichtern, um die Kompaktheit zu erhöhen und die Größe von Frequenzumrichtern zu reduzieren.
Die Kosten für energieeffiziente Elektromotoren sind 1,2 bis 2 Mal höher als die Kosten für einen standardmäßigen energieeffizienten Elektromotor, sodass die Amortisationszeit für zusätzliche Kosten abhängig von der durchschnittlichen jährlichen Betriebszeit 2 bis 3 Jahre beträgt .
Referenzen
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2. Safonov A.S. Hauptmaßnahmen zur Verbesserung der Energieeffizienz elektrischer Geräte im agroindustriellen Komplex // Traktoren und Landmaschinen. Nr. 6, 2014. S. 48-51.
3. Safonov A.S. Anwendung energieeffizienter Elektromotoren in der Landwirtschaft // Tagungsband der II. Internationalen wissenschaftlichen und praktischen Konferenz „Aktuelle Fragen von Wissenschaft und Technologie“, Ausgabe II. Russland, Samara, 7. April 2015. ICRON, 2015, S. 157-159.
4. Norm IEC 60034-30:2008 Rotierende elektrische Maschinen. Teil 30. Effizienzklassen von eintourigen dreiphasigen Käfigläufer-Asynchronmotoren (IE-Code).
5. Shumov Yu.N., Safonov A.S. Energieeffiziente Asynchronmotoren mit unter Druck gegossener Kupferrotorwicklung (Rezension ausländischer Veröffentlichungen) // Elektrizität. Nr. 8, 2014. S. 56-61.
6. Shumov Yu.N., Safonov A.S. Energieeffiziente elektrische Maschinen (Überblick über ausländische Entwicklungen) // Elektrizität. Nr. 4, 2015. S. 45-47.
In der jüngeren Vergangenheit hatten verschiedene Länder auf der Welt ihre eigenen Energieeffizienzstandards. In Europa orientierten sie sich beispielsweise an den SEMER-Standards, in Russland an GOST R 5167 2000 und in den USA am EPAct-Standard.
Um die Anforderungen an die Energieeffizienz von Elektromotoren zu harmonisieren, haben die Internationale Energiekommission (IEC) und die Internationale Organisation für Normung (ISO) eine einzige Norm verabschiedet, IEC 60034-30. Diese Norm klassifiziert Niederspannungs-Asynchron-Elektromotoren und vereinheitlicht die Anforderungen an deren Energieeffizienz.
Energieeffizienzklassen
Die Norm IEC 60034-30 2008 definiert drei internationale Energieeffizienzklassen:
- IE1– Standardklasse (Standard Efficiency). Entspricht in etwa der europäischen Klasse EFF2.
- IE2– hohe Klasse (hohe Effizienz). Entspricht in etwa der EFF1-Klasse und der US-amerikanischen EPAct-Klasse bei 60 Hz.
- IE3– Prämie. Identisch mit NEMA Premium bei 60 Hz.
Die Norm gilt für nahezu alle industriellen Drehstrom-Asynchronmotoren mit Käfigläufer. Ausnahmen sind Motoren:
- Betrieb mit einem Frequenzumrichter;
- in die Konstruktion von Geräten (z. B. einer Pumpeneinheit oder einem Lüfter) integriert, bei denen keine unabhängigen Tests durchgeführt werden können.
Korrelation eines einzelnen internationalen Standards mit den Normen verschiedener Länder der Welt.
Kapazitätsverteilung nach unterschiedlichen Standards
Die Norm IEC 60034-30 umfasst Elektromotoren mit einer Leistung von 0,75 bis 375 kW und der Polpaarzahl 2p = 2, 4, 6.
SEMER-Indikatoren wurden nach Effizienz für Elektromotoren mit einer Leistung von bis zu 90 kW und einer Polarität von 2p = 2,4 verteilt.
Epact-Standards – Leistungswerte von 0,75 bis 150 kW bei einer gepaarten Polzahl 2р = 2, 4, 6.
Merkmale der Standardisierung
Dank des einheitlichen IEC-Standards können Motorenkunden auf der ganzen Welt die Geräte mit den erforderlichen Parametern leicht identifizieren.
Die in IEC/EN 60034-30 beschriebenen IE-Energieeffizienzklassen basieren auf Testergebnissen, die gemäß der internationalen Norm IEC/EN 60034-2-1-2007 durchgeführt wurden. Diese Norm definiert die Energieeffizienz anhand von Verlustleistung und Wirkungsgrad.
Beachten Sie, dass Russischer Markt Elektromotoren haben ihre eigenen Eigenschaften. Inländische Produzenten lassen sich grob in zwei Gruppen einteilen. Eine Gruppe gibt als Hauptindikator Effizienz an, die andere gibt keine Aussage. Dies führt zu Misstrauen gegenüber elektrischen Geräten, was ein Hindernis für den Kauf russischer Produkte darstellt.
Methoden zur Bestimmung der Energieeffizienz
Es gibt zwei Methoden zur Bestimmung der Effizienz: direkte und indirekte. Die direkte Methode basiert auf experimentellen Leistungsmessungen und weist einige Ungenauigkeiten auf. Neuer Standard beinhaltet die Verwendung einer indirekten Methode, die auf folgenden Parametern basiert:
- Anfangstemperatur
- Lastverluste, die durch Messungen, Auswertung und mathematische Berechnung ermittelt werden
Effizienzindikatoren sind nur mit der gleichen Methode zur Ermittlung der Werte vergleichbar. Die indirekte Methode impliziert:
1.
Messung der aus Lasttests berechneten Leistungsverluste.
2.
Schätzung der Eingangsleistungsverluste bei Nennlast bis 1000 kW.
3.
Mathematische Berechnung: Zur Berechnung der P-Verluste (Leistungsverluste) wird eine alternative indirekte Methode verwendet. Bestimmt durch die folgende Formel:
η = Р2/Р1=1-ΔР/Р1
wobei: P2 – Nutzleistung an der Motorwelle; P1 – Wirkleistung aus dem Netz; ΔР – Gesamtverluste in Elektromotoren.
Ein höherer Wirkungsgradwert reduziert Verluste und Stromverbrauch des Elektromotors und erhöht dessen Energieeffizienz.
Eine Reihe russischer Standards, beispielsweise GOST R 54413-2011, können mit internationalen Standards korreliert werden.
Die Unterschiede zwischen russischen und internationalen Standards sind:
- in einigen Merkmalen mathematischer Berechnungen zur Bestimmung von Geräteparametern;
- in Unterschieden in den Maßeinheiten;
- in Testprozessen;
- in den Parametern der Testausrüstung;
- unter Testbedingungen;
- in den Bedienfunktionen.
In Russland gelten die gleichen Energieeffizienzklassen wie in Europa. Informationen zu den Klassen sind in Passdaten, technischen Unterlagen, Markierungen und Typenschildern enthalten.
Weitere nützliche Materialien:
Seit etwa fünf Jahren sammelt die NPO St. Petersburg Electrical Engineering Company (SPBEC) kontinuierlich umgesetzte Innovationen, Entwicklungen und Innovationen von Unternehmen, Instituten und Forschungszentren der ehemaligen Sowjetunion.
Eine weitere in der russischen Realität anwendbare Innovation ist mit dem Namen von Dmitri Alexandrowitsch Duyunow verbunden, der sich damit beschäftigt Problem der Erziehung Energieeffizienz von Asynchronmotoren:
„In Russland machen Asynchronmotoren nach verschiedenen Schätzungen 47 bis 53 % des gesamten erzeugten Stroms aus. In der Industrie sind es durchschnittlich 60 %, in Kaltwasserversorgungssystemen bis zu 80 %. Sie leisten fast alles.“ technologische Prozesse beziehen sich auf die Bewegung und decken alle Bereiche menschlichen Handelns ab. In jeder Wohnung sind mehr Asynchronmotoren verbaut, als Einwohner vorhanden sind. Da es bisher kein Ziel gab, Energieressourcen zu sparen, versuchte man bei der Konstruktion der Ausrüstung, „auf Nummer sicher zu gehen“ und verwendete Motoren mit einer Leistung, die über der berechneten Leistung lag. Energieeinsparungen im Design gerieten in den Hintergrund, und ein Konzept wie Energieeffizienz war nicht mehr so relevant. Industrie Russlands energieeffiziente Motoren weder entworfen noch hergestellt. Der Übergang zur Marktwirtschaft veränderte die Situation dramatisch. Heutzutage ist die Einsparung einer Energieeinheit, beispielsweise 1 Tonne Treibstoff konventionell, halb so teuer wie die Gewinnung.
Energieeffiziente Motoren (EM) sind Asynchronmotoren mit Käfigläufer, bei denen durch eine Erhöhung der Masse der Aktivmaterialien, deren Qualität sowie durch spezielle Konstruktionstechniken eine Steigerung um 1-10 % möglich war. 2 % (starke Motoren) bzw. 4–5 % (kleine Motoren) des Nennwirkungsgrads bei etwas höherem Motorpreis. Dieser Ansatz kann von Vorteil sein, wenn die Last wenig schwankt, keine Drehzahlregelung erforderlich ist und der Motor richtig ausgewählt ist. Mit dem Aufkommen von Motoren mit kombinierten Slavyanka-Wicklungen ist es möglich, ihre Parameter erheblich zu verbessern, ohne ihren Preis zu erhöhen. Aufgrund verbesserter mechanischer Eigenschaften und höherer Energieleistung wurde es möglich, bei gleicher Nutzarbeit nicht nur 30 bis 50 % des Energieverbrauchs einzusparen, sondern auch zu schaffen variabler Antrieb mit einzigartigen Eigenschaften, die auf der Welt ihresgleichen suchen.
Im Gegensatz zu Standardmotoren haben Elektromotoren mit kombinierten Wicklungen ein höheres Drehmomentverhältnis, einen Wirkungsgrad und einen Leistungsfaktor, der in einem weiten Lastbereich nahe am Nennwert liegt. Dadurch können Sie die durchschnittliche Belastung des Motors auf 0,8 erhöhen und erhöhen Leistungsmerkmale vom Antrieb versorgte Ausrüstung.
Im Vergleich zu bekannten Methoden zur Steigerung der Energieeffizienz eines Asynchronantriebs liegt die Neuheit unseres vorgeschlagenen Ansatzes in der Änderung des grundlegenden Konstruktionsprinzips klassischer Motorwicklungen. Die wissenschaftliche Neuheit liegt darin, dass neue Prinzipien für die Gestaltung von Motorwicklungen sowie die Auswahl optimaler Verhältnisse der Anzahl der Rotor- und Statornuten formuliert wurden. Auf dieser Grundlage wurden Industriedesigns und Schemata für einschichtige und zweischichtige kombinierte Wicklungen entwickelt, sowohl für die manuelle als auch für die automatische Wicklungsverlegung auf Standardgeräten. An technische Lösungen eine Reihe russischer Patente wurden erhalten.
Der Kern der Entwicklung ergibt sich aus der Tatsache, dass je nach Anschlussplan einer Drehstromlast an ein Drehstromnetz (Stern oder Dreieck) zwei Stromsysteme erhalten werden können, die zwischen den einen Winkel von 30 elektrischen Grad bilden Vektoren. Dementsprechend kann ein Elektromotor, der keine dreiphasige, sondern eine sechsphasige Wicklung aufweist, an ein dreiphasiges Netzwerk angeschlossen werden. In diesem Fall muss ein Teil der Wicklung mit einem Stern und ein Teil mit einem Dreieck verbunden sein, und die resultierenden Vektoren der Pole derselben Phasen von Stern und Dreieck müssen einen Winkel von 30 elektrischen Grad miteinander bilden. Durch die Kombination zweier Stromkreise in einer Wicklung ist es möglich, die Feldform im Betriebsspalt des Motors zu verbessern und dadurch die Haupteigenschaften des Motors deutlich zu verbessern.
Im Vergleich zu den bekannten kann ein frequenzvariabler Antrieb auf Basis neuer Motoren mit kombinierten Wicklungen mit erhöhter Frequenz der Versorgungsspannung realisiert werden. Dies wird durch geringere Verluste im Stahl des Motormagnetkreises erreicht. Dadurch sind die Kosten für einen solchen Antrieb deutlich geringer als bei der Verwendung von Standardmotoren, insbesondere werden Geräusche und Vibrationen deutlich reduziert.“
Bei energiesparenden Motoren erhöhen sich durch die Erhöhung der Masse der Aktivmaterialien (Eisen und Kupfer) die Nennwerte von Wirkungsgrad und cosj. Energiesparmotoren werden beispielsweise in den USA eingesetzt und sind bei konstanter Belastung wirksam. Die Machbarkeit des Einsatzes energiesparender Motoren sollte unter Berücksichtigung zusätzlicher Kosten beurteilt werden, da durch eine Erhöhung der Eisenmasse um 30-35 %, Kupfer um 20 % eine geringe (bis zu 5 %) Steigerung des Nennwirkungsgrads und des Cosj erreicht wird. 25 %, Aluminium um 10-15 %, d.h. Anstieg der Motorkosten um 30-40 %.
Ungefähre Abhängigkeiten von Wirkungsgrad (h) und cos j von der Nennleistung für konventionelle und energiesparende Motoren von Gould (USA) sind in der Abbildung dargestellt.
Die Steigerung des Wirkungsgrades energiesparender Elektromotoren wird durch folgende konstruktive Änderungen erreicht:
· Die Kerne sind verlängert und aus einzelnen Elektroblechplatten verlustarm zusammengesetzt. Solche Kerne reduzieren die magnetische Induktion, d.h. Stahlverluste.
· Durch die maximale Ausnutzung der Nuten und den Einsatz von Leitern mit erhöhtem Querschnitt im Stator und Rotor werden Verluste im Kupfer reduziert.
· Zusätzliche Verluste werden durch sorgfältige Auswahl der Anzahl und Geometrie der Zähne und Nuten minimiert.
· Während des Betriebs wird weniger Wärme erzeugt, wodurch die Leistung und Größe des Kühlventilators reduziert werden kann, was zu einer Verringerung der Ventilatorverluste und folglich zu einer Verringerung der Gesamtleistungsverluste führt.
Elektromotoren mit erhöhtem Wirkungsgrad senken die Energiekosten, indem sie die Verluste im Elektromotor reduzieren.
Tests mit drei „energiesparenden“ Elektromotoren zeigten, dass bei Volllast folgende Einsparungen erzielt wurden: 3,3 % für einen 3-kW-Elektromotor, 6 % für einen 7,5-kW-Elektromotor und 4,5 % für einen 22-kW-Elektromotor.
Die Einsparungen bei Volllast betragen etwa 0,45 kW, was Energiekosten von 0,06 $/kW entspricht. h beträgt 0,027 $/h. Dies entspricht 6 % der Betriebskosten des Elektromotors.
Der Listenpreis für einen regulären 7,5-kW-Elektromotor beträgt 171 US-Dollar, während der hocheffiziente Motor 296 US-Dollar kostet (ein Preisaufschlag von 125 US-Dollar). Die Tabelle zeigt, dass die Amortisationszeit eines Motors mit höherem Wirkungsgrad, berechnet auf Basis der Grenzkosten, etwa 5000 Stunden beträgt, was einem 6,8-monatigen Betrieb des Motors bei Nennlast entspricht. Bei geringerer Belastung verlängert sich die Amortisationszeit etwas.
Je höher die Motorlast und je näher die Betriebsart an der Konstantlast liegt, desto effizienter ist der Einsatz energiesparender Motoren.
Der Einsatz und Austausch von Motoren durch energiesparende Motoren sollte unter Berücksichtigung aller Zusatzkosten und deren Lebensdauer beurteilt werden.
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