Распечатать

Электропривод

КПД и стоимость синхронного реактивного двигателя

28.08.2018

Источник: ЭМАШ, ООО

В статье приводится сравнение синхронного реактивного двигателя (СРД), разработанного ООО «ЭМАШ», с другими типами серийно производимых двигателей для регулируемого привода: асинхронным (АД) и синхронным двигателем с постоянными магнитами (ПМ) (рис. 1). Параметрами сравнения являются энергоэффективность, масса и стоимость активных материалов, необходимых для производства машины.

Эскизы конструкции разных типов двигателей.   Рис. 1. Эскизы конструкции

Асинхронные двигатели (рис. 1а) широко применяются в самых различных приложениях благодаря низкой стоимости и высокой надежности. Тем не менее к настоящему времени они уже достигли предела своего конструктивного и технологического совершенствования. Дальнейшее улучшение КПД этих двигателей возможно лишь экстенсивными методами: использование большего количества меди и стали, а также использование медной беличьей клетки ротора вместо алюминиевой, применяемой традиционно.

Основным недостатком таких решений является увеличение размеров АД и его стоимости. Более того, наличие медной беличьей клетки ротора приводит к значительному усложнению и удорожанию технологии производства этих двигателей из-за высокой температуры плавления меди. Оставаясь приемлемыми по стоимости, они могут соответствовать лишь классу эффективности IE3. Классы энергоэффективности (IE-классы) здесь и далее определены, согласно стандарту IEC 60034-30-2 Rotating electrical machines – Part 30-2:Efficiency classes of variable speed AC motors (IE-code).

Будем знакомы

Научно-исследовательская компания ООО “ЭМАШ” (г. Екатеринбург) специализируется на разработке энергоэффективных электрических двигателей и генераторов для производителей электрических машин. Основные электромашины, проектируемые компанией, - синхронные реактивные двигатели, высокоскоростные двигатели и многополюсные безредукторные высокомоментные двигатели.

Традиционно самым энергоэффективным типом двигателя считается синхронный двигатель с ПМ. Многие производители (например, WEG, Yaskawa, Emerson и др.) предлагают комплектные электроприводы на базе двигателя с магнитами в роторе (англ. interior permanent magnet synchronous motor, рис. 1в). Основным недостатком такого решения является высокая стоимость по причине применения в конструкции двигателя дорогостоящих редкоземельных магнитов.

Цены на редкоземельные магниты не только высокие, но и нестабильные, так как монополией на добычу сырья для них владеет Китай. Из-за этого стоимость магнитов может измениться в 2–3 раза в течение нескольких лет. Для примера, рис. 2 демонстрирует динамику цен на некоторые редкоземельные металлы за 2008–2014 годы [1].

Рис. 2. История цен на редкоземельные металлы на мировом рынке [1].Рис. 2. История цен на редкоземельные металлы на мировом рынке [1].

Наряду с вышеупомянутыми типами двигателей все большее распространение получает синхронный реактивный двигатель (СРД, рис. 1б). Он отличается отсутствием в конструкции постоянных магнитов, что обуславливает значительно большую надежность конструкции и намного меньшую стоимость производства, в сравнении с двигателями с ПМ. В настоящее время СРД с классами энергоэфективности IE3 и IE4 производятся рядом европейских производителей (ABB, Siemens, KSB, Sicme Motori и др.). Кроме того, можно отметить отечественные компании – «РУСЭЛПРОМ» и ПАО «НИПТИЭМ» разработали несколько синхронных реактивных двигателей, а предприятие «Автоматизированные системы и комплексы» начало разработку алгоритма управления для СРД в своем преобразователе частоты (ПЧ). На  выставке Hannover messe-2018 китайская компания Shenzhen Best Motion Technology Limited продемонстрировала 15 кВт СРД, а корейская компания Hyosung разместила на своем сайте информацию о своих СРД.

Многими компаниями также производятся преобразователи частоты, поддерживающие работу с СРД без датчика положения ротора (ABB, Siemens, KSB, Danfoss, Invertek, KEB, Delta Electronics, Yaskawa, Schneider Electric и др.).

Компанией ООО «ЭМАШ» был разработан СРД оригинальной запатентованной конструкции, соответствующий классу энергоэффективности IE5 (на рис. 3а изображен лист ротора).

Компанией ООО «ЭМАШ» был разработан СРД оригинальной запатентованной конструкции, соответствующий классу энергоэффективности IE5. Источник: ООО Рис.3

Типичными приложениями регулируемого привода являются насосные установки систем отопления, вентиляции и кондиционирования, а также промышленные центробежные насосы. В таких приложениях двигатель большую часть времени работает с нагрузкой меньше, чем номинальная. Поэтому в этом случае требуется высокий КПД двигателя не только в номинальном режиме, но и в широком диапазоне скоростей и моментов. Зависимость механического момента на валу T от скорости вращения двигателя n в таких приложениях в первом приближении можно считать квадратичной.

Рис. 4 и рис. 5 демонстрируют сравнение КПД приводов (показан суммарный КПД «двигатель + ПЧ») мощностью 1,1 кВт/3000 об/мин для насосной нагрузки (T ~ n2). КПД СРД оказывается существенно выше, чем у других приводов, во всем диапазоне скоростей и нагрузок. В диапазоне от 175 Вт до 1,1 кВт КПД СРД привода, по крайней мере, на 10 % выше, чем у асинхронного двигателя. В режиме номинальной нагрузки КПД выше, чем у двигатель с ПМ на  4,6 %. Однако в режиме малых нагрузок эта разница составляет уже около 18 %. Рассматриваемому диапазону мощности соответствует диапазон скорости вращения от 1500 до 2950 об/мин.

Рис. 4. КПД в зависимости от механической мощности для приводов 1,1 кВт, 3000 об/мин (T ~ n2).Рис. 4. КПД в зависимости от механической мощности для приводов 1,1 кВт, 3000 об/мин (T ~ n2)

Рис. 5 КПД в зависимости от скорости вращения для приводов 1,1 кВт, 3000 об/мин (T ~ n2)
Рис. 5 КПД в зависимости от скорости вращения для приводов 1,1 кВт, 3000 об/мин (T ~ n2)

Основным фактором низких потерь СРД при малой нагрузке в сравнении с асинхронным двигателем является отсутствие электрических потерь в беличьей клетке ротора. Если сравнивать СРД с ПМ двигателем – здесь основным фактором становится отсутствие нерегулируемого потока постоянных магнитов, который вызывает в машинах такого типа большие потери холостого хода.

Результаты по КПД для СРД (производитель «ЭМАШ») и двигателя с ПМ были измерены, согласно IEC 60034-30-2:2016 Rotating electrical machines – Part 2-3: Specific test methods for determining losses and efficiency of converter-fed AC induction motors, при применении «прямого» метода 2-3-C (Input-output) (рис. 3б).

Результаты по КПД для АД (модель M2BAX 80 MB 2, класс IE2, производитель ABB) были получены с использованием программы ABB DriveSize Simulation Tool.

Таблица 1 показывает оценку массы и стоимости активных материалов, необходимых для производства рассматрива- емых двигателей. При расчете были приняты следующие цены: 1 $/кг для стали, 7 $/кг для меди, 2 $/кг для алюминия, 98 $/кг для постоянных магнитов.

Табл. 1. Масса и стоимость активных материалов двигателей 1,1 кВт, 3000 об/мин

 

СРД

АД

Двигатель с ПМ

Медь, кг

1,85

1,45

0,323

Электротехническая сталь, кг

3,75

5,34

1,29

Алюминий (беличья клеть), кг

-

0,37

-

Магниты (Nd-Fe-B), кг

-

-

0,184

Масса активных материалов, кг

5,60

7,16

1,80

Масса двигателя с учетом корпуса, кг

9,5

11,0

5,2

Медь, $

12,95

10,13

2,261

Электротехническая сталь, $

3,75

5,34

1,29

Алюминий (беличья клеть), $

-

0,74

-

Магниты (Nd-Fe-B), $

-

-

18,03

Общая стоимость активных материалов, $

16,70

16,22

21,58

Можно отметить, что синхронный двигатель с постоянными магнитами будет еще более проигрывать по стоимости производства при учете усложнения технологии производства по сравнению с СРД и АД. В то же время синхронный реактивный двигатель, не имеющий литой клетки и магнитов в роторе, обеспечивает самую простую среди рассматриваемых вариантов технологию производства.

По результатам проведенного сопоставления можно заключить, что если решающими являются КПД и стоимость двигателя (например, в таких приложениях, как насосы, вентиляторы, компрессоры), то применение СРД в регулируемом электроприводе является более предпочтительным, чем использование асинхронного двигателя или двигателя с ПМ. Применение же дорогих синхронных двигателей с постоянными магнитами более оправданно в тех случаях, когда требуется снизить габариты машины (например, электротранспорт, мотор-колеса, авиация, сервосистемы и т. д.).

В. А. Прахт, к. т. н.,

директор ООО «ЭМАШ», заведующий лабораторией

«Электрических машин» Уральского федерального университета

Источники:

1. J. Widmer, R. Martin, M.Kimiabeigi, “Electric vehicle traction motors without rare earth magnets”, in Sustainable Materials and Technologies, Volume 3, Pages 7-13, DOI: 10.1016/j. susmat.2015.02.001, April 2015.

Электропривод 16.11.2018 Компания ООО «НТЦ «РЕДУКТОР» завершила работы по изготовлению комплектующих для редуктора подъема "ЦНИИ судового машиностроения". Современные технологии позволили снизить шумность изделия и повысить его ресурс.
Электропривод 13.11.2018 Решение по автоматизации пожаротушения на базе преобразователя частоты представила компания «Данфосс». Пожарный шкаф нового поколения Danfoss FC предназначен для контроля систем дымоудаления и подпора воздуха.
Электропривод 29.10.2018 Операторскую панель, способную дистанционно управлять преобразователем частоты с помощью беспроводной связи, создала компания Danfoss. Пульт управления VLT LCP 103 облегчает ввод частотников в эксплуатацию, мониторинг их функционирования и техобслуживание.
Электропривод 17.10.2018 Компания Siemens Gamesa получила первый заказ в России на поставку 90 МВт ветряных генераторов. В соглашение входит поставка, монтаж и сервисное обслуживание 26 турбин SG 3.4-132 на Азовскую ветроэлектростанцию, которая должна быть введена в эксплуатацию в 2020 году.
Автоматизация 16.10.2018 Mitsubishi Electric (МЕ) – безусловный лидер на японском рынке промышленной автоматизации, одном из ведущих в мире. Концепция корпорации e-F@ctory является базовым элементом системы цифровизации в Стране восходящего солнца.
Электропривод 16.10.2018 АО «Технодинамика» активизирует разработку технологии «более электрического самолета» (БЭС), подразумевающую максимальный отказ от гидравлических систем в пользу электрических. Для этих целей создано специальное подразделение.
Электропривод 12.10.2018 Компания B&R пополнила серию Х20 новым модулем X20SM1436-1 для прямого управления шаговыми двигателями. С помощью нового модуля можно использовать шаговые двигатели с рабочим напряжением от 18 до 60 В= при номинальном токе до 2.5 А.
Автоматизация 11.10.2018 Группа компаний Rollon представила техническое решение, способное существенно увеличить радиус действия коллаборативных роботов Universal Robots. Система проста в монтаже и может программироваться с планшета.
Электропривод 10.10.2018 Компания SEW-Eurodrive представила новые продукты - уплотнения вала с увеличенным рабочим ресурсом, двигатели с улучшенной обмоткой, мотор-редукторы с повышенными показателями крутящего момента и в специальном исполнении.