Ahorro de materiales en la producción de motores asíncronos. Normas internacionales de eficiencia energética de motores eléctricos. La esencia del desarrollo propuesto.

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SI. Duyunov , Gerente de Proyecto, AS i PP LLC, Moscú, Zelenograd

En Rusia por una parte motores de inducción, según diversas estimaciones, supone del 47 al 53% del consumo de toda la electricidad generada. En la industria, un promedio del 60%, en sistemas de agua fría, hasta el 90%. Hacen casi todo procesos tecnológicos asociados con el movimiento, y cubren todas las esferas de la vida humana. Con la llegada de los nuevos motores con devanados combinados (CW), es posible mejorar significativamente sus parámetros sin aumentar el precio.

Por cada apartamento de un edificio residencial moderno, hay más motores asíncronos que residentes en él. Anteriormente, como no había una tarea de ahorro de recursos energéticos, al diseñar los equipos se trataba de “mantenerlos seguros” y se utilizaban motores con una potencia superior a la calculada. El ahorro de energía en el diseño pasó a un segundo plano, y un concepto como la eficiencia energética no era tan relevante. Los motores energéticamente eficientes son más bien un fenómeno puramente occidental. La industria rusa no diseñó ni produjo tales motores. La transición a una economía de mercado ha cambiado drásticamente la situación. Hoy, ahorrar una unidad de recursos energéticos, por ejemplo, 1 tonelada de combustible en términos convencionales, es la mitad del precio de extraerlo.

Los motores energéticamente eficientes (EM), presentados en el mercado exterior, son EM asíncronos con rotor en jaula de ardilla, en los que, debido a un aumento en la masa de materiales activos, su calidad, así como debido a técnicas especiales de diseño, es posible aumentar en un 1-2% ( potentes motores) o en un 4-5% ( pequeños motores) eficiencia nominal con algún aumento en el precio del motor. Este enfoque puede ser útil si la carga cambia poco, no se requiere control de velocidad y los parámetros del motor se seleccionan correctamente.

Utilizando motores con devanados combinados (CW), debido a mejores características mecánicas y mayor rendimiento energético, fue posible no solo ahorrar del 30 al 50% del consumo de energía al mismo trabajo útil, sino también para crear una unidad de ahorro de energía ajustable con características únicas que no tiene análogos en el mundo. El mayor efecto se logra cuando se utiliza DSO en instalaciones con una naturaleza variable de la carga. Basado en el hecho de que en la actualidad la producción mundial de motores asíncronos de varias capacidades ha alcanzado los siete mil millones de piezas por año, el efecto de la introducción de nuevos motores difícilmente puede sobreestimarse.

Se sabe que la carga promedio del motor eléctrico (la relación entre la potencia consumida por el cuerpo de trabajo de la máquina y la potencia nominal del motor eléctrico) en la industria nacional es 0.3-0.4 (en la práctica europea, este valor es 0,6). Esto significa que un motor convencional opera a una eficiencia muy inferior a la nominal. El exceso de potencia del motor a menudo conduce a consecuencias negativas imperceptibles a primera vista, pero muy significativas en los equipos atendidos por un accionamiento eléctrico, por ejemplo, a una presión excesiva en las redes hidráulicas asociadas con un aumento de las pérdidas, una disminución de la fiabilidad, etc. A diferencia de los estándar, los DSO tienen nivel bajo el ruido y la vibración, una mayor multiplicidad de momentos, tienen un rendimiento y un factor de potencia próximos al nominal en un amplio rango de cargas. Esto le permite aumentar la carga promedio en el motor hasta 0.8 y mejorar las características del servicio de la unidad. Equipo tecnológico en particular, reducir significativamente su consumo de energía.

Ahorro, reembolso, beneficio

Lo anterior se refiere al ahorro de energía en el variador y está diseñado para reducir las pérdidas por convertir energía eléctrica en energía mecánica y mejorar el rendimiento energético del variador. Los DSO con implementación a gran escala brindan amplias oportunidades para el ahorro de energía hasta la creación de nuevas tecnologías de ahorro de energía.

Según el sitio web del Servicio de Estadísticas del Estado Federal (http://www.gks.ru/
wps/wcm/connect/rosstat/rosstatsite/main/) el consumo de electricidad en 2011 en Rusia en su conjunto ascendió a 1.021,1 mil millones de kWh.

De acuerdo con la orden del Servicio Federal de Tarifas del 10.06.2011 N° 239-e/4, el nivel mínimo de la tarifa de energía eléctrica (capacidad) suministrada a los clientes en mercados minoristas en 2012 ascenderá a 164,23 kop/kWh (sin IVA).

Reemplazar los motores de inducción estándar ahorrará entre un 30 y un 50 % de energía para el mismo trabajo útil. El efecto económico de una sustitución generalizada será como mínimo:

1021,1 0,47 0,3 1,6423 = 236,4503 mil millones de rublos en el año.

En la región de Moscú, el efecto será al menos:

47100.4 0.47 0.3 1.6423 = 10906.771 millones de rublos. en el año.

Teniendo en cuenta los niveles marginales de las tarifas de electricidad en la periferia y otras áreas problemáticas, el efecto máximo y el período de recuperación mínimo se logran en las regiones con tarifas máximas: la Región de Irkutsk, el Okrug autónomo de Khanty-Mansiysk, el Okrug autónomo de Chukotka, el Yamalo -Okrug autónomo de Nenets, etc.

El efecto máximo y el período de recuperación mínimo se pueden lograr reemplazando motores con operación continua, por ejemplo, unidades de bombeo de agua, unidades de ventiladores, trenes de laminación, así como motores altamente cargados, por ejemplo, ascensores, escaleras mecánicas, cintas transportadoras.

Para calcular el período de recuperación, se tomaron como base los precios de JSC "UralElectro". Creemos que se ha celebrado un contrato de servicio de energía con la empresa para el reemplazo del motor ADM 132 M4 de la unidad de bombeo en régimen de arrendamiento. Precio del motor 11.641 rublos. El costo de las obras en su reemplazo (30% del costo) es de 3.492,3 rublos. Gastos adicionales (10% del costo) RUB 1,164.1

Costos totales:

11.641 + 3.492,3 + 1.164,1 = 16.297,4 rublos

El efecto económico será:

11 kW 0,3 1,6423 rublos / kWh 1,18 24 = = 153,48278 rublos. por día (IVA incluido).

Periodo de recuperación:

16.297,4 / 153,48278 = 106,18 días o 0,291 años.

Para otras capacidades, el cálculo da resultados similares. Dado que el tiempo de funcionamiento de los motores en empresas industriales no puede exceder las 12 horas, el período de recuperación no puede exceder los 0,7-0,8 años.

Se supone que, según los términos del contrato de arrendamiento, la empresa que reemplazó los motores por otros nuevos, después de pagar los pagos del arrendamiento, paga el 30% de los ahorros de electricidad dentro de los tres años. En este caso, los ingresos serán: 153,48278 365 3 = 168.063,64 rublos. En consecuencia, el reemplazo de un motor de baja potencia le permite obtener ingresos de 84 a 168 mil rublos. En promedio, a partir del reemplazo de motores de una pequeña empresa de servicios públicos, puede obtener al menos 4,8 millones de rublos en ingresos. La introducción de nuevos motores con la modernización de los estándar permitirá en el sector público y el transporte en muchos casos rechazar los subsidios a la electricidad sin aumentar las tarifas.

El proyecto adquiere un significado social especial en relación con la adhesión de Rusia a la OMC. Los fabricantes nacionales de motores asíncronos no pueden competir con los principales fabricantes del mundo. Esto puede conducir a la quiebra de muchas empresas de formación de ciudades. Dominar la producción de motores con devanados combinados permitirá no solo eliminar esta amenaza, sino también convertirse en un competidor serio en los mercados extranjeros. Por lo tanto, la implementación del proyecto tiene un significado político para el país.

La novedad del enfoque propuesto

En los últimos años, debido a la llegada de convertidores de frecuencia fiables y asequibles, los accionamientos asincrónicos controlados se han generalizado. Aunque el precio de los convertidores sigue siendo bastante elevado (dos o tres veces más caro que un motor), en algunos casos pueden reducir el consumo eléctrico y mejorar el rendimiento del motor, acercándolos a las características de los motores menos fiables. corriente continua. La fiabilidad de los reguladores de frecuencia también es varias veces inferior a la de los motores eléctricos. No todos los consumidores tienen la oportunidad de invertir una cantidad tan grande de dinero en la instalación de reguladores de frecuencia. En Europa, para 2012, solo el 15 % de los variadores de velocidad están equipados con motores de CC. Por lo tanto, es relevante considerar el problema del ahorro de energía principalmente en relación con un accionamiento eléctrico asíncrono, incluido uno controlado por frecuencia, equipado con motores especializados con menor consumo de material y costo.

En la práctica mundial, hay dos direcciones principales para resolver este problema.

El primero es el ahorro energético mediante un accionamiento eléctrico al suministrar al usuario final la potencia necesaria en cada momento. El segundo es la producción de motores energéticamente eficientes que cumplan con el estándar IE-3. En el primer caso, los esfuerzos están dirigidos a reducir el costo de los convertidores de frecuencia. En el segundo caso - para el desarrollo de nuevos materiales eléctricos y optimización de las principales dimensiones de las máquinas eléctricas.

En comparación con los métodos conocidos para mejorar la eficiencia energética de un accionamiento asíncrono, la novedad de nuestro enfoque radica en cambiar el principio de diseño fundamental de los devanados de motores clásicos. La novedad científica radica en que se han formulado nuevos principios para el diseño de devanados de motores, así como para la elección de las relaciones óptimas del número de ranuras del rotor y del estator. En base a ellos se han desarrollado diseños y esquemas industriales de bobinados combinados monocapa y bicapa, tanto para tendidos manuales como automáticos. Desde 2011, se han recibido 7 patentes de la Federación Rusa para soluciones técnicas. Varias aplicaciones están bajo consideración en Rospatent. Se están preparando las solicitudes de patentes en el extranjero.

En comparación con los conocidos, se puede realizar un accionamiento controlado por frecuencia sobre la base de un DSO con una frecuencia aumentada de la tensión de alimentación. Esto se logra debido a menores pérdidas en el acero del núcleo magnético. El costo de una unidad de este tipo es significativamente menor que cuando se usan motores estándar, en particular, el ruido y la vibración se reducen significativamente.

En el transcurso de las pruebas realizadas en los bancos de prueba de la Planta de Bombeo de Katai, se reemplazó un motor estándar de 5,5 kW por un motor de 4,0 kW de nuestro diseño. La bomba proporcionó todos los parámetros de acuerdo con los requisitos de las especificaciones, mientras que el motor prácticamente no se calentó.

Actualmente, se está trabajando para introducir la tecnología en el complejo de petróleo y gas (Lukoil, TNK-BP, Rosneft, planta de bombeo eléctrico Bugulma), en empresas de metro (Asociación Internacional de Metro), en la industria minera (Lebedinsky GOK) y un número de otras industrias.

La esencia del desarrollo propuesto.

La esencia del desarrollo se deriva del hecho de que, dependiendo del esquema para conectar una carga trifásica a una red trifásica (estrella o triángulo), se pueden obtener dos sistemas de corrientes que forman un ángulo de 30 grados eléctricos entre los vectores de inducción del flujo magnético. En consecuencia, es posible conectar un motor eléctrico a una red trifásica que no tenga un devanado trifásico, sino hexafásico. En este caso, parte del devanado debe estar incluido en la estrella y parte en el triángulo y los vectores de inducción resultantes de los polos de las mismas fases de la estrella y el triángulo deben formar entre sí un ángulo de 30 grados eléctricos.

La combinación de dos circuitos en un devanado permite mejorar la forma del campo en el espacio de trabajo del motor y, como resultado, mejorar significativamente las características principales del motor. El campo en el espacio de trabajo de un motor estándar solo puede llamarse condicionalmente sinusoidal. De hecho, está escalonada. Como resultado, se producen armónicos, vibraciones y pares de frenado en el motor, que tienen un efecto negativo sobre el motor y reducen su rendimiento. Por lo tanto, un motor de inducción estándar solo tiene un rendimiento aceptable bajo carga nominal. Cuando la carga es diferente de la nominal, las características del motor estándar se reducen drásticamente, el factor de potencia y la eficiencia se reducen.

Los devanados combinados también permiten reducir el nivel de inducción de campos magnéticos por armónicos impares, lo que conduce a una reducción significativa de las pérdidas totales en los elementos del circuito magnético del motor y a un aumento de su capacidad de sobrecarga y densidad de potencia. También permite que los motores funcionen a frecuencias de voltaje de suministro más altas cuando se usan aceros clasificados para operación de 50 Hz. Los motores con devanados combinados tienen una relación de corriente de arranque más baja con pares de arranque más altos. Esto es esencial para equipos que operan con arranques frecuentes y prolongados, así como para equipos conectados a redes largas y muy cargadas con un alto nivel de caída de voltaje. Generan menos interferencias en la red y distorsionan menos la forma de la tensión de alimentación, lo que es esencial para una serie de objetos equipados con sistemas electrónicos e informáticos complejos.

En la fig. 1 muestra la forma del campo en un motor estándar de 3000 rpm en un estator de 24 ranuras.

La forma de campo de un motor similar con devanados combinados se muestra en la fig. 2.

En los gráficos anteriores se puede ver que la forma del campo del motor con devanados combinados es más cercana a la sinusoidal que la del motor estándar. Como resultado, como muestra la experiencia, sin aumentar la intensidad del trabajo, con menos consumo de material, sin cambiar las tecnologías existentes, en igualdad de condiciones, obtenemos motores que superan significativamente a los estándar en sus características. A diferencia de los métodos previamente conocidos para mejorar la eficiencia energética, la solución propuesta es la menos costosa y puede implementarse no solo en la producción de nuevos motores, sino también en revisión y modernización de la flota existente. En la fig. 3 muestra cómo ha cambiado la característica mecánica al reemplazar el devanado estándar por uno combinado durante la revisión del motor.

De ninguna otra manera conocida es posible mejorar las características mecánicas de la flota de motores existente de forma tan radical y eficaz. Los resultados de las pruebas de banco realizadas por el Laboratorio de Fábrica Central de CJSC UralElectro-K, Mednogorsk, confirman los parámetros declarados. Los datos obtenidos también confirman los resultados obtenidos durante las pruebas en el NIPTIEM, Vladimir.

Ventajas competitivas

La singularidad de la solución propuesta radica en el hecho de que los competidores que son obvios a primera vista son, de hecho, socios estratégicos potenciales. Esto se explica por el hecho de que es posible dominar la producción y modernización de motores con devanados combinados en el menor tiempo posible en casi cualquier empresa especializada dedicada a la producción o reparación de motores estándar. No requiere cambios en las tecnologías existentes. Para ello, basta con modificar la documentación de diseño existente en las empresas. Ningún producto de la competencia ofrece estos beneficios. En este caso, no es necesario obtener permisos, licencias y certificados especiales. Un ejemplo ilustrativo es la experiencia de cooperación con OAO UralElectro-K. Esta es la primera empresa con la que se ha concluido un acuerdo de licencia por el derecho a fabricar motores asíncronos energéticamente eficientes con devanados combinados. En comparación con los variadores de frecuencia, la tecnología propuesta permite un mayor ahorro de energía con inversiones de capital significativamente menores. Durante la operación, los costos de mantenimiento también son significativamente más bajos. En comparación con otros motores energéticamente eficientes, el producto ofrecido tiene un precio más bajo con el mismo rendimiento.

Conclusión

El campo de aplicación de los motores asíncronos con devanados combinados cubre casi todas las esferas de la actividad humana. Alrededor de siete mil millones de piezas de motores de diversas capacidades y diseños se producen anualmente en el mundo. Hoy en día, casi ningún proceso tecnológico puede organizarse sin el uso de motores eléctricos. Las consecuencias del uso a gran escala de este desarrollo difícilmente pueden sobreestimarse. En el ámbito social, pueden reducir significativamente las tarifas de los servicios básicos. En el campo de la ecología, permiten lograr resultados sin precedentes. Así, por ejemplo, con el mismo trabajo útil, permiten triplicar la generación específica de electricidad y, en consecuencia, una fuerte reducción del consumo específico de hidrocarburos.

Motores eléctricos asíncronos trifásicos de diseño básico energéticamente eficientes (clase IE2) serie AIR, 7АVER

Los motores de uso general están diseñados para operar en modo S1 desde CA 50 Hz, voltaje 380 V (220, 660 V). Grado de protección estándar - IP54, IP55, versión climática y categoría de colocación - U3, U2.
Clase de eficiencia energética - IE2 (de acuerdo con GOST R51677-2000 y el estándar internacional IEC 60034-30).

El uso de motores energéticamente eficientes permite:

• aumentar la eficiencia del motor en un 2-5%;
• reducir el consumo de electricidad;
• aumentar la vida útil del motor y del equipo relacionado;
• mejorar el factor de potencia;
• mejorar la capacidad de sobrecarga;
• aumentar la resistencia del motor a las cargas térmicas y a los cambios en las condiciones de funcionamiento.

Las dimensiones totales de montaje y conexión de los motores energéticamente eficientes corresponden a las dimensiones totales de montaje y conexión de los motores del diseño básico.

Motores eléctricos de bajo consumo EFF1/IE2 fabricados por ENERAL

Los motores eléctricos de bajo consumo EFF1 son motores eléctricos trifásicos asíncronos de una velocidad con rotor en jaula de ardilla.
Los motores eléctricos energéticamente eficientes son motores eléctricos para fines industriales generales, en los que la pérdida de potencia total es al menos un 20% menor que la pérdida de potencia total de los motores con eficiencia normal de la misma potencia y velocidad.

Características principales:

La clase de eficiencia energética Eff 1 cumple con el estándar IE2
Las características técnicas de los motores energéticamente eficientes fabricados por ENERAL se presentan en la tabla:

Comparación de características:

Los motores eléctricos asíncronos con rotor en jaula de ardilla son actualmente una parte importante de todas las máquinas eléctricas, más del 50% de la electricidad consumida recae sobre ellos. Es casi imposible encontrar un ámbito en el que se utilicen: accionamientos eléctricos de equipos industriales, bombas, equipos de ventilación y mucho más. Además, tanto el volumen del parque tecnológico como la potencia de los motores están en constante crecimiento.

Los motores ENERAL energéticamente eficientes de la serie AIR…E están diseñados como motores asíncronos trifásicos de una velocidad con un rotor de jaula de ardilla y cumplen con GOST R51689-2000.

El motor de bajo consumo de la serie AIR…E ha aumentado su eficiencia gracias a las siguientes mejoras del sistema:

1. Se ha aumentado la masa de materiales activos (devanado del estator de cobre y acero laminado en frío en paquetes de estator y rotor);
2. Se utilizan aceros eléctricos con propiedades magnéticas mejoradas y pérdidas magnéticas reducidas;
3. Se optimiza la zona de ranura del diente del circuito magnético y el diseño de los devanados;
4. Aislamiento usado con alta conductividad térmica y fuerza eléctrica;
5. Reducción del espacio de aire entre el rotor y el estator con equipos de alta tecnología;
6. Se utiliza un diseño de ventilador especial para reducir las pérdidas por ventilación;
7. Se utilizan rodamientos y lubricantes de mayor calidad.

Las nuevas propiedades de consumo del motor energéticamente eficiente de la serie AIR…E se basan en mejoras de diseño, donde se otorga un lugar especial a la protección contra condiciones adversas y al aumento del sellado.

Entonces, caracteristicas de diseño La serie AIR…E permite minimizar las pérdidas en los devanados del estator. Debido a la baja temperatura del devanado del motor, también se prolonga la vida útil del aislamiento.

Un efecto adicional es la reducción de la fricción y la vibración, y por lo tanto del sobrecalentamiento, mediante el uso de cojinetes y lubricantes de alta calidad, incluido un bloqueo de cojinete más denso.

Otro aspecto asociado con una temperatura más baja del motor en funcionamiento es la capacidad de operar a temperaturas más altas. alta temperatura ambiente o la posibilidad de reducir los costos asociados con el enfriamiento externo de un motor en marcha. Esto también conduce a menores costos de energía.

Una de las ventajas importantes del nuevo motor energéticamente eficiente es la reducción del nivel de ruido. Los motores de clase IE2 usan ventiladores menos potentes y más silenciosos, lo que también contribuye a mejorar las propiedades aerodinámicas y reducir las pérdidas por ventilación.

La minimización de los costos operativos y de capital son requisitos clave para la industria motores electricos de bajo consumo. Como muestra la práctica, el período de compensación debido a la diferencia de precios al adquirir más avanzado motores eléctricos asíncronos La clase IE2 es de hasta 6 meses solo al reducir los costos operativos y consumir menos electricidad.

Reducción de costes al sustituir el motor por uno energéticamente eficiente:

AIRE 132M6E (IE2) P2=7,5kW; Eficiencia=88,5%; En \u003d 16.3A; cosφ=0,78
AIR132M6 (IE1) P2=7,5kW; Eficiencia=86,1%; entrada=17,0A; cosφ=0,77

El consumo de energía: P1=P2/eficiencia
Característica de carga: 16 horas por día = 5840 horas por año
Ahorro anual de costos de energía: 1400 kWh

Al cambiar a nuevos motores energéticamente eficientes, se tiene en cuenta lo siguiente:

• mayores requisitos para los aspectos ambientales;
• requisitos para el nivel de eficiencia energética y características operativas de los productos;
• la clase de eficiencia energética IE2 actúa como una "marca de calidad" unificada para el consumidor junto con oportunidades de ahorro;
• incentivo financiero: oportunidad de reducir el consumo de energía y los costos operativos soluciones integradas: motor energéticamente eficiente + sistema de control eficiente (accionamiento variable) + sistema de protección eficiente = mejor resultado.
  

ventajas:

Proporcionar una reducción de las pérdidas totales de potencia en al menos un 20 % en relación con los motores de rendimiento normal de la misma potencia y velocidad;
- Mayor eficiencia en modo de carga parcial (en 1,8 - 2,4%);
- Tener características de rendimiento mejoradas:

• más resistente a las fluctuaciones en la red;
• menos sobrecalentamiento, menos pérdida de energía;
• trabajar con bajo nivel de ruido;
• Mayor confiabilidad y vida útil prolongada;
• A un precio de compra más alto (en un 15-20 % en comparación con el estándar), EED paga los costos adicionales al reducir el consumo de energía ya en 500-600 horas de operación;
• Costos operativos generales reducidos.

Por lo tanto, los motores energéticamente eficientes son motores de mayor confiabilidad para empresas enfocadas en tecnologías de ahorro de energía.

Los indicadores de eficiencia energética de los motores eléctricos AIR…E fabricados por ENERAL cumplen con GOST R51677-2000 y la norma internacional IEC 60034-30 en cuanto a eficiencia energética clase IE2.

CDU 621.313.333:658.562

MOTORES ASÍNCRONOS DE EFICIENCIA ENERGÉTICA PARA UN ACCIONAMIENTO ELÉCTRICO REGULADO

O.O. Muravleva

Correo electrónico de la Universidad Politécnica de Tomsk: [correo electrónico protegido]

Se plantea la posibilidad de crear motores asíncronos energéticamente eficientes sin cambiar la sección para accionamientos eléctricos regulables, lo que permite asegurar un ahorro energético real. Se muestran las formas de asegurar el ahorro energético mediante el uso de motores asíncronos de alta potencia en unidades de bombeo en el ámbito de la vivienda y servicios comunales. Los cálculos económicos realizados y el análisis de los resultados muestran la eficiencia económica de utilizar motores de mayor potencia, a pesar del aumento del coste del propio motor.

Introducción

De acuerdo con la "Estrategia energética para el período hasta 2020", la máxima prioridad de la política energética estatal es aumentar la eficiencia energética de la industria. La eficiencia de la economía rusa se reduce significativamente debido a su alta intensidad energética. Según este indicador, Rusia está 2,6 veces por delante de Estados Unidos, Europa Oriental 3,9 veces, Japón - 4,5 veces. Solo en parte, estas diferencias pueden justificarse por las duras condiciones climáticas de Rusia y la inmensidad de su territorio. Una de las principales formas de prevenir una crisis energética en nuestro país es seguir una política que prevea la introducción a gran escala de tecnologías de ahorro de energía y recursos en las empresas. El ahorro energético se ha convertido en un área prioritaria de política técnica en todos los países desarrollados del mundo.

En un futuro cercano, el problema del ahorro de energía aumentará su calificación con el desarrollo acelerado de la economía, cuando hay escasez de energía eléctrica y se puede compensar de dos maneras: mediante la introducción de nuevos sistemas de generación de energía y el ahorro de energía. La primera forma es más costosa y requiere más tiempo, y la segunda es mucho más rápida y rentable porque 1 kW de potencia con ahorro de energía cuesta 4...5 veces menos que en el primer caso. Los grandes costos de la energía eléctrica por unidad del producto nacional bruto crean un enorme potencial para el ahorro de energía en la economía nacional. Básicamente, la alta intensidad energética de la economía es causada por el uso de tecnologías y equipos que desperdician energía, grandes pérdidas de recursos energéticos (durante su extracción, procesamiento, transformación, transporte y consumo), y la estructura irracional de la economía (una alta proporción de la producción industrial intensiva en energía). Como resultado, se ha acumulado un gran potencial de ahorro energético, estimado en 360.430 Mtce. toneladas, o el 38,46% del consumo de energía moderna. La realización de este potencial puede permitir, con un crecimiento de la economía de 2,3 ... 3,3 veces en 20 años, limitar el crecimiento del consumo de energía en solo 1,25.

ny bienes y servicios en el mercado interno y externo. Por lo tanto, la conservación de la energía es un factor importante en el crecimiento económico y en la mejora de la eficiencia de la economía nacional.

El propósito de este trabajo es considerar las posibilidades de crear motores asíncronos (AM) energéticamente eficientes para accionamientos eléctricos controlados para garantizar un ahorro de energía real.

Posibilidades de crear energía eficiente

motores de inducción

En este trabajo, sobre la base de un enfoque sistemático, se determinan formas efectivas de garantizar ahorros reales de energía. Un enfoque sistemático para el ahorro de energía combina dos áreas: la mejora de convertidores y motores asíncronos. Teniendo en cuenta las posibilidades de la tecnología informática moderna, la mejora de los métodos de optimización, llegamos a la necesidad de crear un complejo de software y computadora para diseñar motores de inducción energéticamente eficientes que operen en accionamientos eléctricos controlados. Teniendo en cuenta el gran potencial de ahorro energético en la vivienda y los servicios comunales (vivienda y servicios comunales), se planteará la posibilidad de utilizar en este ámbito un accionamiento eléctrico regulable basado en motores asíncronos.

La solución al problema del ahorro energético es posible con la mejora de un accionamiento eléctrico regulable basado en motores asíncronos, que deben ser diseñados y fabricados específicamente para tecnologías de ahorro energético. Actualmente, el potencial de ahorro de energía para los accionamientos eléctricos más populares, las unidades de bombeo, es más del 30 % del consumo de energía. Según el monitoreo en el Territorio de Altai, se pueden obtener los siguientes indicadores utilizando un accionamiento eléctrico controlado basado en motores asíncronos: ahorro de energía: 20,60%; ahorro de agua - hasta un 20%; exclusión de choques hidráulicos en el sistema; reducción de corrientes de arranque de motores; minimización de los costes de mantenimiento; reduciendo la probabilidad de emergencias. Esto requiere la mejora de todas las partes del accionamiento eléctrico y, sobre todo, el elemento principal que realiza la conversión de energía electromecánica: un motor asíncrono.

Ahora, en la mayoría de los casos, en un accionamiento eléctrico controlado, se utilizan motores asíncronos de propósito general en serie. El nivel de consumo de materias activas por unidad de potencia IM prácticamente se ha estabilizado. Según algunas estimaciones, el uso de IM en serie en accionamientos eléctricos controlados conduce a una disminución de su eficiencia y un aumento de la potencia instalada en un 15,20%. Entre los expertos rusos y extranjeros, existe la opinión de que se necesitan motores especiales para tales sistemas. Actualmente se requiere un nuevo enfoque del diseño debido a la crisis energética. La masa de presión arterial ha dejado de ser un factor determinante. Un aumento en el rendimiento energético pasa a primer plano, incluso aumentando su costo y el consumo de materiales activos.

Una de las formas prometedoras de mejorar el accionamiento eléctrico es el diseño y la fabricación de motores de inducción específicamente para condiciones de operación específicas, lo que es favorable para el ahorro de energía. Al mismo tiempo, se resuelve el problema de adaptar el AM a un accionamiento eléctrico específico, lo que brinda el mayor efecto económico en condiciones de operación.

Cabe señalar que la producción de IM específicamente para un accionamiento eléctrico controlado es producida por Simens (Alemania), Atlans-Ge Motors (EE. UU.), Lenze Bachofen (Alemania), Leroy Somer (Francia), Maiden (Japón). Existe una tendencia constante en la industria mundial de la ingeniería eléctrica a expandir la producción de tales motores. En Ucrania, se ha desarrollado un paquete de software para diseñar modificaciones IM para un accionamiento eléctrico controlado. En nuestro país, GOST R 51677-2000 ha sido aprobado para IM con alto rendimiento energético, y su lanzamiento probablemente se organizará en un futuro próximo. El uso de modificaciones AM especialmente diseñadas para proporcionar un ahorro de energía efectivo es una dirección prometedora para mejorar los motores asíncronos.

Esto plantea la cuestión de una elección razonable motor adecuado de una diversa gama de motores fabricados en términos de diseño, modificaciones, porque el uso de motores asíncronos industriales generales para un accionamiento eléctrico con velocidad variable resulta no óptimo en términos de peso, tamaño, costo e indicadores de energía. En este sentido, se requiere el diseño de motores asíncronos energéticamente eficientes.

Un motor asíncrono es energéticamente eficiente, en el que, utilizando un enfoque sistemático en el diseño, fabricación y operación, se incrementa la eficiencia, el factor de potencia y la confiabilidad. Los requisitos típicos para los accionamientos industriales generales son la minimización de los costes operativos y de capital,

incluso en Mantenimiento. En este sentido, y también debido a la fiabilidad y simplicidad de la parte mecánica del accionamiento eléctrico, la gran mayoría de los accionamientos eléctricos industriales generales se construyen sobre la base de un motor asíncrono, el motor más económico que es estructuralmente simple, sin pretensiones y tiene un bajo costo. Un análisis de los problemas de los motores de inducción controlados mostró que su desarrollo debe llevarse a cabo sobre la base de un enfoque sistemático, teniendo en cuenta las peculiaridades del trabajo en accionamientos eléctricos controlados.

En la actualidad, en relación con el aumento de los requisitos de eficiencia al resolver problemas de ahorro de energía y mejorar la confiabilidad de la operación de los sistemas eléctricos, las tareas de modernización de motores asíncronos para mejorar sus características energéticas (eficiencia y factor de potencia), obteniendo nuevas cualidades de consumo (mejora de la protección del medio ambiente) se están volviendo particularmente relevantes. , incluido el sellado), asegurando la confiabilidad en el diseño, fabricación y operación de motores asíncronos. Por lo tanto, al realizar investigación y desarrollo en el campo de la modernización y optimización de motores asíncronos, es necesario crear métodos apropiados para determinar sus parámetros óptimos, desde la condición de obtener las características de energía máxima, y ​​calcular las características dinámicas (tiempo de arranque). , calefacción de bobinado, etc.). Como resultado de estudios teóricos y experimentales, es importante determinar las mejores características energéticas absolutas y específicas de los motores asíncronos, en función de los requisitos para un convertidor de frecuencia ajustable.

El costo de un convertidor suele ser varias veces mayor que el costo de un motor de inducción de la misma potencia. Los motores asíncronos son los principales convertidores de energía eléctrica en energía mecánica, y en gran medida determinan la eficiencia del ahorro energético.

Hay tres formas de garantizar un ahorro de energía efectivo cuando se utiliza un accionamiento eléctrico controlado basado en motores asíncronos:

Mejorar la presión arterial sin cambiar la sección transversal;

Mejora de IM con un cambio en la geometría del estator y el rotor;

Elección de IM de diseño industrial general

más poder.

Cada uno de estos métodos tiene sus ventajas, desventajas y limitaciones en la aplicación, y la elección de uno de ellos solo es posible mediante una evaluación económica de las opciones pertinentes.

La mejora y optimización de motores asíncronos con un cambio en la geometría del estator y rotor dará un mayor efecto, el motor diseñado tendrá mejor energía y características dinámicas. Sin embargo, al mismo tiempo, los costos financieros para la modernización y el reequipamiento de la producción para su producción ascenderán a cantidades significativas. Por lo tanto, en la primera etapa, consideraremos medidas que no requieran grandes costos financieros, pero que al mismo tiempo permitan un ahorro real de energía.

Resultados de la investigacion

Actualmente, IM para un accionamiento eléctrico controlado prácticamente no se está desarrollando. Es recomendable utilizar modificaciones especiales de motores asíncronos, en los que se conservan los sellos en las láminas del estator y el rotor y los elementos estructurales principales. Este artículo analiza la posibilidad de crear un IM energéticamente eficiente cambiando la longitud del núcleo del estator (/), el número de vueltas en la fase del devanado del estator (#) y el diámetro del cable utilizando la geometría de la sección transversal de fábrica. En la etapa inicial, la modernización de los motores asíncronos con rotor de jaula de ardilla se llevó a cabo cambiando solo la longitud activa. Se tomó como motor base el motor asíncrono AIR112M2 con una potencia de 7,5 kW, producido por OAO Sibelektromotor (Tomsk). Los valores de la longitud del núcleo del estator para los cálculos se tomaron en el rango /=100,170%. Los resultados del cálculo en forma de dependencias de la eficiencia máxima (Psh) y nominal (tsn) de la longitud para el tamaño de motor seleccionado se muestran en la fig. una.

Arroz. 1. Dependencias de la eficiencia máxima y nominal para diferentes longitudes del núcleo del estator.

De la fig. 1 muestra cómo el valor de la eficiencia cambia cuantitativamente al aumentar la longitud. El IM actualizado tiene una eficiencia nominal superior a la del motor base cuando se cambia la longitud del núcleo del estator hasta un 160 %, mientras que los valores más altos de la eficiencia nominal se observan en 110,125 %.

Cambiar solo la longitud del núcleo y, como resultado, reducir las pérdidas en el acero, a pesar de un ligero aumento en la eficiencia, no es la forma más efectiva de mejorar un motor de inducción. Sería más racional cambiar la longitud y los datos del devanado del motor (el número de vueltas del devanado y la sección transversal del cable del devanado del estator). Al considerar esta opción, los valores de la longitud del núcleo del estator para los cálculos se tomaron en el rango /=100.130%. Se supuso que el rango de cambios en las espiras del devanado del estator era N = 60,110%. El motor base tiene el valor No = 108 vueltas y n = 0.875. En la fig. 2 muestra un gráfico del cambio en el valor de la eficiencia al cambiar los datos de devanado y la longitud activa del motor. Cuando el número de vueltas del devanado del estator cambia en la dirección de disminución, hay una fuerte caída en los valores de eficiencia a 0,805 y 0,819 para motores con una longitud de 100 y 105%, respectivamente.

Los motores en el rango de variación de longitud /=110.130% tienen valores de eficiencia superiores a los del motor base, por ejemplo, No=96 ^»=0.876.0.885 y No=84 con 1=125.130% tienen n»=0.879 .0.885. Es recomendable considerar motores con una longitud en el rango de 110,130% y con una disminución del número de vueltas del devanado del estator en un 10%, lo que corresponde a N = 96 vueltas. El extremo de la función (Fig. 2), resaltado en color oscuro, corresponde a los valores dados de longitud y vueltas. En este caso, el valor de la eficiencia aumenta en un 0,7-1,7% y es

Vemos la tercera forma de asegurar el ahorro de energía en el hecho de que es posible utilizar un motor asíncrono de rendimiento industrial general de mayor potencia. Los valores de la longitud del núcleo del estator para los cálculos se tomaron en el rango /=100,170%. El análisis de los datos obtenidos muestra que para el motor investigado AIR112M2 con una potencia de 7,5 kW, con un aumento de su longitud al 115%, el valor de eficiencia máxima n,wx=0,885 corresponde a la potencia Р2wn=5,5 kW. Este hecho indica que es posible utilizar motores de la serie AIR112M2 de mayor longitud con una potencia de 7,5 kW, en lugar del motor básico de 5,5 kW de la serie AIR90M2, en un accionamiento eléctrico regulable. Para un motor de 5,5 kW,

El consumo de energía por año es de 71.950 r. Una de las razones de este hecho es la reducción en la participación de la electricidad para cubrir las pérdidas en el IM debido a la operación del motor en la región de los valores de mayor eficiencia.

Un aumento en la potencia del motor debe estar justificado por la necesidad tanto técnica como económica. En el estudio de motores de alta potencia se tomaron una serie de IM de uso industrial general de la serie AIR en el rango de potencia de 3,75 kW. Como ejemplo, consideremos IM con una velocidad de rotación de 3000 rpm, que se utilizan con mayor frecuencia en unidades de bombeo de viviendas y servicios comunales, lo que está asociado con los detalles de la regulación de la unidad de bombeo.

Arroz. Fig. 3. Dependencia del ahorro durante la vida útil media de la potencia útil del motor: la línea ondulada se construye según los resultados del cálculo, la línea continua es aproximada

Para justificar los beneficios económicos de usar motores de mayor potencia, se hicieron cálculos y se comparó motores con la potencia requerida para una tarea determinada y motores con una potencia un paso superior. En la fig. La figura 3 muestra gráficos de ahorro para la vida útil media (E10) de la potencia útil en el eje del motor. El análisis de la dependencia obtenida muestra

eficiencia económica del uso de motores de alta potencia, a pesar del aumento en el costo del propio motor. El ahorro de energía durante la vida útil promedio de los motores con una velocidad de rotación de 3000 rpm es de 33,235 mil rublos.

Conclusión

El enorme potencial de ahorro de energía en Rusia está determinado por los altos costos de la energía eléctrica en la economía nacional. Un enfoque sistemático para el desarrollo de accionamientos eléctricos controlados asíncronos y la organización de su producción en serie puede proporcionar un ahorro de energía efectivo, en particular, en la vivienda y los servicios comunales. A la hora de resolver el problema del ahorro energético, se debería utilizar un accionamiento eléctrico controlado asíncrono, que actualmente no tiene alternativa.

1. La tarea de crear motores asíncronos energéticamente eficientes que cumplan con las condiciones de funcionamiento específicas y el ahorro de energía debe resolverse para un accionamiento eléctrico controlado específico utilizando un enfoque sistemático. Actualmente se está aplicando un nuevo enfoque para el diseño de motores asíncronos. El factor determinante es el aumento del rendimiento energético.

2. La posibilidad de crear motores asíncronos energéticamente eficientes sin cambiar la geometría de la sección transversal con un aumento en la longitud del núcleo del estator hasta un 130% y una disminución en el número de vueltas del devanado del estator hasta un 90% para controlado Se considera accionamientos eléctricos, lo que permite un ahorro energético real.

3. Se muestran formas de garantizar el ahorro de energía mediante el uso de motores asíncronos de alta potencia en unidades de bombeo en el sector de la vivienda y los servicios públicos. Por ejemplo, al sustituir el motor AIR90M2 de 5,5 kW de potencia por el motor AIR112M2, el ahorro energético es de hasta un 15%.

4. Los cálculos económicos realizados y el análisis de los resultados muestran la eficiencia económica del uso de motores de mayor potencia, a pesar del aumento en el costo del propio motor. El ahorro de energía durante la vida útil promedio se expresa en decenas y cientos de miles de rublos. dependiendo de la potencia del motor y es de 33.325 mil rublos. para motores asíncronos con una velocidad de 3000 rpm.

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CDU 621.313.333:536.24

SIMULACIÓN DEL FUNCIONAMIENTO DE MOTORES ASÍNCRONOS MULTIFALOS EN MODOS DE FUNCIONAMIENTO DE EMERGENCIA

D. M. Glujov, O.O. Muravleva

Correo electrónico de la Universidad Politécnica de Tomsk: [correo electrónico protegido]

Se propone un modelo matemático de procesos térmicos en un motor asíncrono multifásico, que permite calcular el aumento de temperatura del devanado en condiciones de emergencia. La adecuación del modelo se verificó experimentalmente.

Introducción

El desarrollo intensivo de la tecnología electrónica y de microprocesadores conduce a la creación de variadores de CA ajustables de alta calidad para reemplazar los variadores de CC y los variadores de CA no regulados debido a la mayor confiabilidad de los motores de CA en comparación con las máquinas de CC.

Los accionamientos eléctricos regulados están ganando el campo de aplicación de los no regulados tanto para garantizar características tecnológicas como para ahorrar energía. Además, se da preferencia a las máquinas AC, asíncronas (AD) y síncronas (SD), ya que tienen mejores indicadores de peso y tamaño, mayor confiabilidad y vida útil, son más fáciles de mantener y reparar en comparación con las máquinas colectoras DC. Incluso en un área tan tradicionalmente "coleccionista" como los vehículos eléctricos, las máquinas de CC están dando paso a los motores de CA controlados por frecuencia. Un lugar cada vez mayor en la producción de plantas de ingeniería eléctrica está ocupado por modificaciones y diseños especializados de motores eléctricos.

Es imposible crear un motor universal controlado por frecuencia adecuado para todas las ocasiones. Solo puede ser óptimo para cada combinación específica de la ley y el método de control, el rango de control de frecuencia y la naturaleza de la carga. Un motor asíncrono multifásico (MAD) puede ser una alternativa a las máquinas trifásicas cuando se alimenta con un convertidor de frecuencia.

El propósito de este trabajo es desarrollar un modelo matemático para el estudio de los campos térmicos de motores asíncronos polifásicos tanto en régimen permanente como en modo de funcionamiento de emergencia, los cuales van acompañados de un paro (ruptura) de fases (o de una fase) con el fin de mostrar la posibilidad de operar máquinas asíncronas como parte de un accionamiento eléctrico controlado sin aplicación fondos adicionales enfriamiento.

Modelado de campo térmico

Las características del funcionamiento de las máquinas eléctricas en un accionamiento eléctrico ajustable, así como las altas vibraciones y el ruido, que imponen ciertos requisitos en el diseño, requieren otros enfoques en el diseño. Al mismo tiempo, las características de los motores polifásicos hacen que estas máquinas sean adecuadas para su uso en aplicaciones controladas.

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Para aumentar la potencia y reducir significativamente el consumo de energía de los motores asincrónicos quemados y nuevos, permite una tecnología única de modernización que utiliza devanados combinados del tipo Slavyanka. Hoy en día, se implementa con éxito en varias grandes empresas industriales. Tal modernización permite aumentar los pares mínimos y de arranque en un 10-20%, reducir la corriente de arranque en un 10-20% o aumentar la potencia del motor en un 10-15%, estabilizar la eficiencia cerca de la nominal en una amplia gama de cargas, reducir la corriente movimiento inactivo, reduce las pérdidas de acero en 2,7-3 veces, el nivel de ruido electromagnético y vibraciones, aumenta la confiabilidad y aumenta el período de revisión en 1,5-2 veces.

En Rusia, la participación de los motores asíncronos, según diversas estimaciones, representa del 47 al 53% del consumo de toda la electricidad generada, en la industria, un promedio del 60%, en sistemas de agua fría, hasta el 80%. Llevan a cabo casi todos los procesos tecnológicos asociados con el movimiento y cubren todas las esferas de la vida humana. En cada apartamento puede encontrar más motores asíncronos que residentes. Anteriormente, como no había una tarea de ahorro de recursos energéticos, al diseñar los equipos se trataba de “mantenerlos seguros” y se utilizaban motores con una potencia superior a la calculada. El ahorro de energía en el diseño pasó a un segundo plano, y un concepto como la eficiencia energética no era tan relevante. La industria rusa no diseñó ni produjo motores energéticamente eficientes. La transición a una economía de mercado ha cambiado drásticamente la situación. Hoy, ahorrar una unidad de recursos energéticos, por ejemplo, 1 tonelada de combustible en términos convencionales, es la mitad del precio de extraerlo.

Los motores energéticamente eficientes (EM) son EM asíncronos con un rotor de jaula de ardilla, en los que, debido al aumento en la masa de materiales activos, su calidad, así como debido a técnicas especiales de diseño, fue posible aumentar en 1 -2% (motores potentes) o un 4-5% (motores pequeños) de eficiencia nominal con algún incremento en el precio del motor.

Con el advenimiento de los motores con devanados combinados "Slavyanka" según un esquema patentado, fue posible mejorar significativamente los parámetros de los motores sin aumentar el precio. Debido a las características mecánicas mejoradas y al mayor rendimiento energético, es posible ahorrar hasta un 15 % del consumo de energía para el mismo trabajo útil y crear un accionamiento ajustable con características únicas que no tiene análogos en el mundo.

A diferencia de los estándar, los motores con devanados combinados tienen una alta multiplicidad de momentos, tienen una eficiencia y factor de potencia cercano al valor nominal en una amplia gama de cargas. Esto le permite aumentar la carga promedio en el motor hasta 0.8 y mejorar el rendimiento del equipo atendido por el variador.

En comparación con los métodos conocidos para mejorar la eficiencia energética de un accionamiento asíncrono, la novedad de la tecnología utilizada por los habitantes de Petersburgo radica en cambiar el principio de diseño fundamental de los devanados de motor clásicos. La novedad científica radica en el hecho de que se han formulado principios completamente nuevos para diseñar devanados de motores, eligiendo las relaciones óptimas del número de ranuras de los rotores y el arrancador. En base a ellos se han desarrollado diseños y esquemas industriales de bobinados combinados monocapa y bicapa, tanto para la colocación manual como automática de bobinados en equipos estándar. Se han obtenido varias patentes de RF para soluciones técnicas.

La esencia del desarrollo es que, dependiendo del esquema para conectar una carga trifásica a una red trifásica (estrella o triángulo), se pueden obtener dos sistemas de corrientes, formando un ángulo de 30 grados eléctricos entre los vectores. En consecuencia, es posible conectar un motor eléctrico a una red trifásica que no tenga un devanado trifásico, sino hexafásico. En este caso, parte del devanado debe estar incluido en la estrella y parte en el triángulo y los vectores resultantes de los polos de las mismas fases de la estrella y el triángulo deben formar un ángulo de 30 grados eléctricos entre sí. La combinación de dos circuitos en un devanado permite mejorar la forma del campo en el espacio de trabajo del motor y, como resultado, mejorar significativamente las características principales del motor.

En comparación con los conocidos, se puede hacer un accionamiento controlado por frecuencia sobre la base de nuevos motores con devanados combinados con una mayor frecuencia de la tensión de alimentación. Esto se logra debido a menores pérdidas en el acero del circuito magnético del motor. Como resultado, el costo de dicho accionamiento es significativamente más bajo que cuando se usan motores estándar, en particular, el ruido y la vibración se reducen significativamente.

El uso de esta tecnología en la reparación de motores asíncronos permite, debido al ahorro energético, recuperar los costes en un plazo de 6-8 meses. Durante el año pasado, solo la Asociación Científica y de Producción "Compañía Electrotécnica de San Petersburgo" ha modernizado varias docenas de motores asincrónicos nuevos y quemados rebobinando los devanados del estator en una serie de grandes empresas en San Petersburgo en las industrias de panadería, tabaco, construcción plantas de materiales y muchos otros. Y esta dirección se está desarrollando con éxito. Hoy, la Asociación Científica y de Producción "Empresa Electrotécnica de San Petersburgo" está buscando socios potenciales en las regiones que puedan organizar, junto con los habitantes de Petersburgo, un negocio para la modernización de motores eléctricos asíncronos en su área.

Preparado por María Alisova.

referencia

Nikolay Yalovega- el fundador de la tecnología - profesor, doctor en ciencias técnicas. Recibió una patente estadounidense en 1996. A día de hoy, ha caducado.

Dmitri Duyunov— desarrollador de métodos para calcular diseños para colocar devanados de motores combinados. Se han emitido varias patentes.