около Дэн Джонс, президент Incremotion Associates
Эта новая технология обещает обеспечить как более высокий КПД, так и лучший коэффициент мощности асинхронных двигателей.
Асинхронные двигатели — это рабочая лошадка промышленности. Они управляют всем — от промышленных производственных процессов до бытового оборудования, такого как стиральные машины и сушилки, среди прочего. И они существуют с тех пор, как Никола Тесла подал заявку на патенты на двигатели в конце 1880-х годов.
Одна компания, Revolution Motor Industries (RMI), разработала новый способ повышения эффективности встроенного асинхронного двигателя без добавления дополнительного количества меди и магнитного железа или перехода на роторы с постоянными магнитами. Они разработали новую технологию намотки, позволяющую одновременно повысить КПД двигателя и увеличить коэффициент мощности.
Современный высокоэффективный двигатель премиум-класса
Асинхронный двигатель переменного тока доминирует на рынках с постоянной и переменной скоростью вращения. Трехфазный асинхронный двигатель премиум-класса получил повышенные показатели эффективности, продиктованные Министерством энергетики США (DOE). (Одним из ключевых факторов в стремлении к повышению эффективности двигателей были правительственные предписания, в частности директивы Министерства энергетики о повышении эффективности электродвигателей. [См. боковую панель.]) Последние правила распространяются на ряд различных асинхронных двигателей общего назначения с 2, 4, 6 и 8 полюсами. На рисунке 1 расчетные кривые производительности A, B и C представляют большинство кривых зависимости крутящего момента от частоты вращения асинхронных двигателей переменного тока общего назначения мощностью от 1 до 500 л.с.
Например, КПД асинхронного двигателя мощностью 5 л.с. с 4 полюсами при 100% нагрузке начинался с 83% в 1980-х годах, вырос до 87,5% в 1990-х годах и сейчас находится на текущем уровне 89,5% для асинхронного двигателя переменного тока премиум-класса мощностью 5 л.с. За год было сэкономлено в общей сложности 1262,8 кВт*ч. Если тариф на электроэнергию составляет 0,15 доллара за кВтч, то для асинхронного двигателя мощностью 5 л.с. достигается экономия в размере 189 долларов. Экономия в долларах значительно увеличивается при использовании двигателей мощностью более 100 л.с.
Также было выявлено значительное повышение энергоэффективности при использовании асинхронного двигателя мощностью 50 л.с. Первоначальный КПД 3-фазного 4-полюсного асинхронного двигателя мощностью 50 л.с. начинался с 91,3% в 1980-х годах, оставался на уровне 91% в 1990-х годах и, как двигатель премиум-класса, в настоящее время установлен Министерством энергетики на уровне 93%. Это означает повышение эффективности всего на 2%. Опять же, при использовании 6000 часов работы за 1 год экономия электроэнергии увеличивается почти до 2500 кВт*ч в год, что обеспечивает ежегодную экономию около 400 долларов. Хотя повышение эффективности двигателя кажется незначительным, экономия затрат на электроэнергию накапливается с течением времени. В Европе эквивалентные уровни эффективности двигателя обозначаются как IE3. Ряд производителей двигателей в США, Европе, Бразилии и Азии разработали моторную продукцию для следующего, более высокого уровня — уровня эффективности двигателей super premium или IE4.
Решение проблемы коэффициента мощности без снижения КПД
Коэффициент мощности — более сложный параметр. Она делится на две составляющие: реальную мощность и кажущуюся или реактивную мощность (рис. 2). Идеальный коэффициент мощности равен единице. К сожалению, почти все электродвигатели имеют индуктивность обмоток, включая асинхронные двигатели. Каждый потребитель электроэнергии платит за коэффициент мощности, заложенный в его счетах за коммунальные услуги. Асинхронные двигатели обладают более низкими коэффициентами мощности, обычно превышающими 0,94 при 100% номинальной нагрузке. В стандартных асинхронных двигателях коэффициент мощности снижается до более низких значений по мере снижения нагрузки двигателя до 25 и 50%.
Модифицированные асинхронные двигатели RMI поддерживают более высокий коэффициент мощности при любых условиях нагрузки. Современный асинхронный двигатель требует дорогостоящего привода с регулируемой частотой вращения (VSD) для повышения производительности при меньших нагрузках. Двигатель RMI upgrade может легко работать непосредственно от электросети.
Модифицированный асинхронный двигатель RMI
RMI фокусируется на трехфазной обмотке статора асинхронного двигателя. Она охватывает встроенные асинхронные двигатели мощностью от 1 до 500 л.с. В нем используется концепция двойной обмотки с конденсаторами, расположенными последовательно во вспомогательной обмотке, что обеспечивает высокие значения коэффициента мощности. Исторически сложилось так, что другие подходы с двумя обмотками всегда максимизировали коэффициент мощности асинхронного двигателя, но за счет снижения его КПД.
Патент RMI обеспечивает ряд существенных улучшений как в коэффициенте мощности, так и в КПД двигателя. Инженеры RMI использовали инструменты анализа переходных процессов FEA для определения многих характеристик двигателя. Уникальное распределение обмоток и тщательный подбор номиналов конденсаторов являются ключевыми элементами успешного проектирования и внедрения RMI.
Тестирование двигателя RMI
Несмотря на то, что современные инструменты FEA достаточно точны, конструкция RMI должна быть протестирована для подтверждения желаемой производительности. Компания RMI engineering доказала эффективность своего моделирования, приобретя стандартные асинхронные двигатели у официальных дистрибьюторов двигателей. В течение примерно 24 месяцев двигатели мощностью 50 и 300 л.с. были приобретены у крупного поставщика двигателей и протестированы независимой компанией Advanced Energy (AE) Test Labs, расположенной в Роли, Северная Каролина. Они были включены в список AE Labs (сертифицированные испытательные лаборатории), используемый Министерством энергетики для создания действующие стандарты эффективности двигателя. Были измерены и записаны эксплуатационные характеристики двигателя. Различные двигатели были возвращены компании RMI, которая заменила оригинальные обмотки статором двигателя без обмотки. Затем они повторно установили новый статор с двойной обмоткой RMI с конденсатором на фазу во вспомогательной обмотке RMI.
Процедура тестирования, предусмотренная Министерством энергетики, требует получения полных данных о производительности на 25, 50, 75, 100, 115, 125 и 150% от номинального крутящего момента и частоты вращения. Эти контрольные точки указаны в стандарте IEEE 112-2004 для асинхронных двигателей. Модифицированные результаты тестирования двигателя RMI были сопоставлены с исходными результатами тестирования двигателя. Измерение коэффициента мощности показывает значительное улучшение по сравнению с первоначальным стандартным коэффициентом мощности двигателя. Была изменена только обмотка статора. RMI использовала все остальные детали двигателя, просто заменив обмотку статора.
Асинхронный двигатель мощностью 300 л.с. был протестирован испытательными лабораториями AE при различных условиях нагрузки. При 100%-ной нагрузке RMI превосходит оригинальный двигатель мощностью 300 л.с. на 95,8% по сравнению с 95,3% КПД двигателя (рис. 3). При 100%-ной нагрузке наблюдается гораздо большая разница в коэффициенте мощности (0,98 против 0,86), причем обновленная обмотка статора RMI имеет более высокое значение. При нагрузке 25% обновленная обмотка RMI имеет коэффициент мощности 0,99 по сравнению со стандартным значением коэффициента мощности 300 л.с., равным 0,72.
Асинхронный двигатель мощностью 2 л.с. был протестирован в компании Magtrol в Буффало и еще раз у крупного поставщика двигателей. На рисунке 4 обобщены улучшенные характеристики, подтвержденные использованием технологии двойной обмотки RMI для одновременного повышения общей эффективности двигателя.
Оценка затрат на повышение производительности двигателя
Компания Schultz Associates проанализировала стоимость различных компонентов типичных асинхронных двигателей переменного тока мощностью 50 и 300 л.с. при покупке. Он сравнил стоимость этого стандартного двигателя с обновленной стоимостью асинхронного двигателя переменного тока того же размера, использующего технологию двойной обмотки RMI плюс конденсаторы, установленные в каждой из трех вспомогательных обмоток. Все остальные детали двигателя были эквивалентны. Было определено, что дополнительные затраты, связанные с использованием технологии RMI в стандартных асинхронных двигателях общего назначения мощностью 50 и 300 л.с., увеличивают продажную цену асинхронного двигателя мощностью 50 л.с. примерно на 8% и примерно на 10% к продажной цене асинхронного двигателя мощностью 300 л.с. Отчет включал отраслевые надбавки к затратам и маржу для оценки текущих отраслевых цен и установления скорректированных цен RMI.
В настоящее время предписанный Министерством энергетики уровень эффективности premium (IE3) распространяется на трехфазные асинхронные двигатели общего назначения мощностью от 1 до 500 л.с. Технология RMI может обеспечить экономичный способ достижения уровня эффективности super premium (IE4) без использования дорогостоящего медного ротора.
В отчете Schultz research также был рассчитан временной цикл окупаемости. При тарифе на электроэнергию в размере 0,14 доллара США за кВт*ч срок окупаемости модифицированного асинхронного двигателя RMI мощностью 50 л.с. составляет шесть месяцев, а модифицированного асинхронного двигателя RMI мощностью 300 л.с. — всего три месяца. Тестирование асинхронного двигателя мощностью 2 л.с. было проведено для охвата всего ассортимента EPact (Закон об энергетической политике) или асинхронных двигателей повышенной эффективности мощностью от 1 до 500 л.с.
При установлении премиальных уровней эффективности Министерство энергетики тщательно протестировало и смоделировало работу асинхронных двигателей общего назначения мощностью 5, 30 и 75 л.с., чтобы охватить диапазон производительности от 1 до 500 л.с. RMI выбрала более широкий набор тестовых двигателей мощностью 2, 50 и 300 л.с., чтобы оценить целесообразность повышения их эффективности и коэффициента мощности в широком диапазоне нагрузок на двигатель. Теперь доступен более экономичный метод повышения КПД двигателя и коэффициента мощности при меньших затратах.
Партнеры по инкрементному движению
www.incremotion.com
Революция в автомобильной промышленности
www.revolutionmotor.com
Свежие комментарии