Распечатать

Электропривод

Синхронные реактивные двигатели перспективны во многих промышленных применениях

26.07.2018
Конструктивное многообразие этих двигателей с высоким КПД почти неизвестно российским инженерам

Синхронный реактивный двигатель (СРД) или в английском варианте Synchronous reluctance motor (SynRM) был изобретен около ста лет назад, однако его серийное производство налажено совсем недавно. В чем причина - в сложности решения задачи управления СРД, или толчком ко второй волне интереса стал спрос на рост энергоэффективности, заставивший производителей осваивать новые и забытые типы электродвигателей? С этого вопроса начался наш разговор с экспертами Алексеем Захаровым и Павлом Мазуровым.

Синхронный реактивный мотор компании «Сименс» Изображение: Siemens

Синхронный реактивный мотор компании «Сименс»

Захаров А.В., к.т.н., ведущий специалист по математическому моделированию и расчетам, ПАО  «НИПТИЭМ»

Повторное появление интереса к синхронно-реактивным двигателям обусловлено, с одной стороны, высокими и постоянно растущими требованиями по повышению КПД электрических машин, а с другой - снижением числа сложных технических применений, реализуемых на базе общепромышленных нерегулируемых электродвигателей.

Современные тенденции на рынке электродвигателей характеризуются снижением потребности в модификациях общепромышленных асинхронных электродвигателей (полюсно-переключаемых, с повышенными пусковыми характеристиками - повышенным скольжением и т. п.), обусловленной широким внедрением частотно-регулируемых электродвигателей. Это дало возможность разработчикам сосредоточиться на повышении КПД электродвигателей за счет снижения некоторых других характеристик машины, а также предложить электрические машины, ориентированные на использование только в частотно-регулируемом электроприводе, но обладающие высоким КПД, в том числе на машинах альтернативных конструкций. Проведенные исследования показали, что модификации синхронно-реактивных двигателей, имеющих короткозамкнутую обмотку на роторе, также могут быть применены при непосредственном питании от сети переменного тока в вентиляторных приложениях с невысокой инерцией сопряженного механизма.

Мазуров П., технический консультант, департамент «Непрерывное производство и приводы», ООО «Сименс»

Как это часто бывает, развитие СРД вызвано сразу несколькими факторами. С одной стороны, технологии силовой электроники сейчас позволяют массово производить простые и дешевые частотные преобразователи, обладающие функциями управления, о которых нельзя было мечтать раньше. Благодаря этому исчезла проблема управления СРД, из-за которой эти машины не могли массово использовать десятки лет назад. С другой стороны, феноменальные значения эффективности дают по-новому взглянуть на синхронные реактивные двигатели, и европейские предприятия, стремящиеся любой ценой оптимизировать технологические процессы на своем производстве, действительно видят в приводах на основе СРД новые возможности. А ужесточение требований по энергоэффективности только подталкивает к этой оптимизации.

Синхронные реактивные двигатели характеризуются высокой энергоэфффективностью, компактностью, надежностью, отсутствием потерь в обмотке ротора, но имеют и серьезный недостаток – низкий коэффициент мощности. Для его преодоления рядом разработчиков предложен PMaSynRM – синхронно-реактивный двигатель с постоянными магнитами в сердечнике ротора. Создаете ли вы подобные машины и на каких типах магнитов? В чем плюсы и минусы PMaSynRM, особенно в сравнении с классическим СРД?

Павел Мазуров, «Сименс»

Главные преимущества классических СРД – очень высокие значения КПД, причем не только в номинальном режиме, но и при сильно пониженных скоростях, низкая инерционность благодаря отсутствию обмотки в роторе, а также высокий (по сравнению с классическим асинхронным двигателем) сервис-фактор из-за отсутствия электрических потерь в роторе. Основной минус при этом, если не считать низкий коэффициент мощности, – то, что СРД требует наличие преобразователя, который будет им управлять. Двигатели PMaSynRM призваны решить проблему невозможности работы без ЧРП, но одновременно оказывают негативное влияние на все три главных преимущества. Наличие магнитов в роторе снижает КПД, увеличивает инерционность, и понижает сервис-фактор. Компания Siemens в данный момент сосредоточилась на производстве классических синхронных реактивных двигателей, без постоянных магнитов в роторе. КПД наших СРД серии 1FP1 превышает значения уровня класса энергоэффективности IE4. А проблема низкого коэффициента мощности решается правильным подбором преобразователя частоты.

Алексей Захаров, «НИПТИЭМ»

НИПТИЭМ проводит исследования и разрабатывает синхронные двигатели с внутренними магнитами ротора, которые могут подходить под указанное вами название. Их достоинства - это высокие КПД и коэффициент мощности. Недостатки тоже есть: завышенное значение тока на холостом ходу при работе от сети с нерегулируемой амплитудой напряжения; опасность возникновения высокого напряжения на повышенных частотах вращения, в зоне работы с постоянством мощности, при ошибках управления преобразователя частоты; отсутствие возможности свободного вращения ротора без генерации напряжения, что в аварийных режимах (витковой, фазный пробои обмотки статора) может привести к опасности дальнейшего разрушения технического объекта в случае невозможности остановить вращение вала машины.

Ротор синхронного реактивного двигателя ПАО «НИПТИЭМ» Изображение: ПАО «НИПТИЭМ»

Целесообразна ли разунификация сердечника статора СРД с сердечником асинхронного двигателя? Если да, то в каком сегменте - повышенной мощности или повышенной энергоэффективности - у этого шага бóльшие перспективы?

Алексей Захаров, «НИПТИЭМ»

Считаем, что унификация радиальной геометрии сердечника статора  для синхронных двигателей с возбуждением от постоянных магнитов (СДПМ) и СРД при разунификации с геометрией сердечников статора АЭД с КЗ с классами энергоэффективности IE1, IE2, IE3 имеет смысл, но экономически не оправдана.

В СРД можно выделить еще две градации – двигатели повышенной мощности и двигатели повышенной энергоэффективности. Какое из направлений вы считаете приоритетным?

Алексей Захаров, «НИПТИЭМ»

Направление машин повышенной мощности.

Встает ли вопрос целесообразности освоение производства АЭД мощностью до 100 кВт классов энергоэффективности выше IE3 при наличии энергоэффективных СРД?

Павел Мазуров, «Сименс»

Расчеты показывают, что приобретение двигателя классом энергоэффективности IE4 и частотного преобразователя к нему оказывается дороже, чем покупка СРД и соответствующего ЧРП той же мощности, если рассматривать мощности не более 45-55кВт. Поэтому, согласно нашему опыту рассмотрение двигателей класса IE4 целесообразно только в качестве нерегулируемого привода. Тогда как двигатели класса IE3 все ещё дешевле СРД той же мощности.

Алексей Захаров, «НИПТИЭМ»

Да, АЭД с КЗ имеют более широкие диапазоны работоспособности при изменении внешних условий работы.

Каковы показатели компактности СРД по сравнению с асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором?

Алексей Захаров, «НИПТИЭМ»

В СРД возможно получение равной мощности в меньшем на одну ступень габарите.

Павел Мазуров, «Сименс»

Серия синхронных реактивных двигателей 1FP1 была спроектирована таким образом, что присоединительные размеры полностью совпадают с аналогичными по мощности асинхронными двигателями. Причиной банальна – предприятия, модернизирующие свои приводные системы, не хотят сталкиваться с проблемами сильного несовпадения по размерам нового оборудования с заменяемым, поэтому было решено унифицировать по присоединительным размерам серии СРД и асинхронных двигателей.

К типовым сферам применения СРД обычно относят устройства с вентиляторной механической характеристикой - насосы, вентиляторы, компрессоры. Встречаются упоминания о применении в запорной аппаратуре, намоточных устройствах, сервонасосах, экструдерах. Какие приложения включает в список применений СРД ваша компания, а какие нет?

Павел Мазуров, «Сименс»

Благодаря очень высоким значениям эффективности в широком диапазоне скоростей СРД особо интересны для использования в машинах, работающих в долговременном режиме. Это не только насосы и вентиляторы, но и конвейеры, и даже промышленное оборудование. Особенностью СРД Siemens является возможность работы с постоянным моментом в диапазоне регулирования 1:10 без принудительного охлаждения, что вкупе с высоким сервис-фактором и высокой динамикой очень на руку как раз-таки в конвейерных машинах. Поэтому Siemens рассматривает сферу применения СРД как максимально широкую. Преимущества СРД перед асинхронными двигателями классов IE3 и IE4 - не только в КПД, синхронные реактивные двигатели можно рассматривать практически в любом промышленном приложении с регулируемым электроприводом.

Сферы применения СРД «Сименс»

 Насосы, вентиляторы, компрессоры

• Энергоэффективное решение для насосов, вентиляторов и компрессоров в непрерывном производстве и воднохозяйственном комплексе

 Конвейеры, транспортеры

• Энергоэффектиное и динамичное решение для технологий перемещения и транспортировки груза

 Машиностроение

• Решение для машиностроителей с простым управлением и точным регулированием скорости

Алексей Захаров, «НИПТИЭМ»

Для  частотно-регулируемого привода с СРД практически нет ограничений по применению в технических приложениях. Важным ограничением, пожалуй,  является ограничение по максимальному и длительному значению развиваемого электромагнитного момента, имеющееся у электродвигателей любых типов.

Возможности СРД, получающих питание от сети переменного тока, имеют ограничения по применению. Однозначно можно рекомендовать использование таких электроприводов при   вентиляторной механической характеристике нагрузки и низких значениях инерции сопряженного механизма.

Существует точка зрения, что при решении задачи повышения энергоэффективности ряд компаний выбрал направление «синхронные двигатели с постоянными магнитами» (СДПМ), а другие сделали ставку на СРД? Связываете ли вы это с технологическими возможностями производства?

Алексей Захаров, «НИПТИЭМ»

Современное производство, отвечающее уровню развития постиндустриального общества, не может иметь сложностей при производстве как СДПМ, так и СРД.

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.
Электропривод 01.10.2018 Дочернее подразделение Siemens в России - ООО «Сименс» - возглавил Александр Либеров, с 2015 года являвшийся главным коммерческим директором компании. На новом посту он займется реализацией глобальной стратегии «Видение 2020+» на рынках России, Белоруссии и Центральной Азии.
Электропривод 14.09.2018 Компания «СЕВ-Евродрайф» подвела под крышу новый производственный комплекс и центр приводной техники во Всеволожском районе Ленинградской области. Общая площадь объекта составляет 8.27 тыс. кв. м., а его открытие намечено на июль 2019 г.