Синхронно-реактивний двигун
ПАТ «НІПТІЕМ», що входить до концерну «РУСЕЛПРОМ» – провідний український центр зі створення низьковольтних асинхронних двигунів потужністю до 400 кВт. Компанія, яка нещодавно відзначила своє п'ятдесятиріччя, активно розвивається, створює нові типи електромашин – частотно-регульовані, вентильні, вентильно-індукторні. Про нові розробки владимирської школи електромашинобудування нам розповів керівник розрахунково-теоретичного сектору НДПТІЕМ Андрій Кобелєв.
КМ: Андрію Степановичу, почнемо з головного для вас і наймасовішого сьогодні у світі – трифазного асинхронного двигуна. Цій електромашині, створеній нашим співвітчизником Михайлом Осиповичем Доливо-Добровольським у далекому 1889 році, нещодавно передбачили втрату лідерства. Двигуном майбутнього називають синхронно-реактивний двигун. Ви погоджуєтесь з таким прогнозом?
Зазначу, що наша компанія володіє інформацією про синхронно-реактивні двигуни (СінРД) не з чуток. Ми вже створили кілька типорозмірів таких двигунів від 15 кВт до 500 кВт і підтверджуємо їх наступні переваги: економічність, енергоефективність та компактність.
Ротор синхронно-реактивних двигунів не містить дорогих міді та алюмінію, в ньому не використовуються дуже дорогі рідкісноземельні магніти, і це, безумовно, знижує його вартість. Відсутність втрат у роторі дозволяє забезпечити високу енергоефективність не нижче класу IE3. Що ж до розмірів, то в габаритах асинхронного двигуна СінРД демонструє потужність на один-два ступені вище.
Ротор синхронно-реактивного двигуна
У синхронно-реактивного двигуна є й недоліки: низький коефіцієнт потужності невисоке значення максимального моменту,необхідність спеціального перетворювача частоти.
Вентилятори та насоси, на які припадає солідний сегмент приводної техніки, потребують двигунів з високим ККД і невибагливі до пускових та перевантажувальних властивостей. Для цих застосувань СінРД оптимальне рішення. Сьогодні як фахівці НІПТІЕМ, так і зарубіжні дослідники прагнуть створити ефективну конструкцію синхронно-реактивного двигуна з пусковою клітиною в роторі. Вдале "додавання опції" по прямому асинхронному пуску може зняти необхідність у перетворювачі. При цьому енергоефективність дещо зменшиться.
Повертаючись до прогнозу перспектив асинхронного двигуна, зазначу, що сьогодні цей тип електромашин припадає близько 80% всіх двигунів, що випускаються промисловістю. У найближчій перспективі очікується зменшення цієї частки на 1% щорічно, так що лідируючі позиції асинхронні двигуни утримуватимуть дуже довго.
КМ: З вашою традиційною продукцією більшість вітчизняних фахівців добре знайомі. А які б ви виділили зміни в портфелі своїх низьковольтних асинхронних двигунів?
Нами освоєно нові рішення для електродвигунів усіх видів міського транспорту: тролейбусів, трамваїв, екобусів, метро. Важливою інновацією тут є НДДКР із створення високоенергоефективного компактного двигуна з постійними магнітами для тролейбуса, з «довгою» другою зоною регулювання (з ослабленням магнітного потоку). Цим проектом НІПТІЕМ готовий кинути рукавичку будь-якому світовому виробнику двигунів для міських електротранспортних засобів – спробуйте перевершити.
Розширюється лінійка двигунів для приводу допоміжних пристроїв (компресорів, вентиляторів) залізничних локомотивів. Нарощується номенклатура двигунів дляприводу важких транспортних засобів, як гусеничних, і колісних.
АЕД для приводу осі трамвая. Взаємопов'язаний електромагнітний, тепловий та вентиляційний розрахунки дозволяють з високою точністю визначити електромеханічні характеристики та тепловий стан проектованого електродвигуна.
Ми випускаємо ефективні електродвигуни для нових об'єктів спеціального призначення. З зрозумілих причин тут не буде подробиць. Однак, якщо номер журналу «Конструктор. Машинобудівник» читає фахівець оборонного підприємства, якому потрібні двигуни 0,18–400 кВт з високими вимогами щодо енергоефективності, надійності, до показників ВШХ, тоді йому потрібні наші знання та досвід, звертайтесь.
Додам, що НІПТІЕМ із задоволенням береться за наукомісткі проекти з розробки ексклюзивного приводу, коли кількість робочих механізмів не тиражується і становить одиниці штук. Реалізовані в такий спосіб проекти обчислюються десятками.
Електродвигун 5АМЦ315М6А5О4 потужністю 110 кВт, 1000 об/хв з повітряним охолодженням призначений для приводу високонапірних вентиляторів ВДНА-15, розташованих у герметичній зоні АЕС.
КМ: У ЄС двічі за останній час посилювалися вимоги до енергоефективності електродвигунів. Уся Америка давно живе у такому режимі. Китай також готується перейти на норми, які можна порівняти з IE3. Чому Україна відстає?
НІПТІЕМ нещодавно підготував каталог серії енергоефективних двигунів 7AVE, куди увійшли високоенергоефективні АЕД класу IE3. У ньому ми докладно розглядаємо це питання. Такі переваги енергоефективних АЕД, як значна економія на вартості володіння, підвищена надійність, менший шум, глибоке регулювання у першій зоні під час роботи у складічастотно-регульованого приводу для європейського споживача важливіші, ніж разова переплата на 20-30% за енергоефективний мотор. Вона окупається за рік-півтора за рахунок економії споживаної електроенергії.
Енергоефективні асинхронні двигуни серії 7AVE загальнопромислового виконання від 4¸500 кВт.
Освоєння та застосування АЕД класу IE2 у країнах ЄС обов'язково як для виробників, так і для споживачів електродвигунів. В Україні ж, незважаючи на випущений у 2011 р. ГОСТ Р 54413-2011 (майже повний аналог IEC 60034-30-1), застосування енергоефективних двигунів має рекомендаційний характер. Обов'язковим виробництво та застосування енергоефективних АЕД стане у нас після ухвалення технічного регламенту МС «Про вимоги до енергетичної ефективності електричних енергоспоживаючих пристроїв», проект якого наразі узгоджений усіма країнами МС, крім РФ. Стримування цього погодження завдає великої економічної шкоди країні.
КМ: Наскільки складно створення ЕЕД? Прагнення знизити втрати змушує використовувати більше міді у статорі та штовхає до збільшення розмірів…
Більшість типорозмірів попередньої серії 5А мали енергоефективність IE1. У новій серії 7AVE перехід від стандартної енергоефективності IE1 до високої енергоефективності IE2 здійснено багато в чому завдяки прийнятій ідеології параметричної оптимізації без додаткової витрати електротехнічних матеріалів. Типорозміри серії 5А, що відповідають класу енергоефективності IE2, перепроектовані для зниження витрат матеріалів.
Про вищі класи енергоефективності. В результаті досліджень нами встановлено, що в ув'язці CENELEC можна забезпечити енергоефективність двигунів за класом IE4 у відрізку 160–315 мм. Прицьому використання мідної клітини ротора в габаритах 160, 180 є обов'язковим. У габаритах 180-315 мм необхідне застосування електротехнічної сталі з малими питомими втратами.
Для класу енергоефективності IE3 мідне лиття необов'язкове. У зв'язці ГОСТ 31606-2012 (варіант I) енергоефективність класу IE4 реалізується в габаритах 280, 315, 355 мм. Довжина пакета (при порівнянні IE1 та IE3) збільшується на 20–40%.
Очевидно, найдорожчою технологічною операцією є мідне лиття, необхідне молодших габаритів. Однак успіхи в цьому питанні (для прикладу можна назвати фірму Breuckmann GmbH) дозволяють припустити, що вартість заливання роторів міддю неухильно знижуватиметься. Зрозуміло, потрібно підтягнутися і за іншими технологічними переділами: якісне штампування; заливання роторів, що виключають раковини; застосування якісних підшипників. Не вичерпано й можливості структурно-параметричної оптимізації.
КМ: З одного боку, енергоефективні двигуни здатні зберегти кілька відсотків ККД, з іншого боку - помилки, наприклад, при виборі механічних компонентів приводу або навіть теплового режиму масла для редуктора загрожують втратою десятків відсотків...
Пропоную зосередитись у цьому питанні на компетенціях електромеханіків та фахівців у галузі електроприводу. Донедавна навіть між цими близькими сферами технічних знань було нерозуміння (недолік інформації) про підходи до вибору електричної машини для приводів зі складним режимом роботи. Наприклад, режим S9 – робота електродвигуна з неперіодичними змінами навантаження та частоти обертання. Фахівцями НІПТІЕМ розроблено методологію, програмне та методичне забезпечення з проведення пошукового проектування та енергетичних розрахунків АЕД у динамічнихрежимах, а також програми експериментальних досліджень двигунів у динамічних режимах, створено відповідні випробувальні стенди. Все перераховане забезпечення дозволяє проектувати оптимальний двигун для будь-якого робочого механізму, якою б складною була динаміка його роботи.
Якщо ж вийти за межі названих компетенцій, слід зазначити, що нерідко наші фахівці беруть активну участь у підготовці технічних умов на виріб в цілому.
АЕД захищеного виконання (IP23) для приводу допоміжного обладнання електровоза.
КМ: Ще одна сучасна тенденція - відмова від редукторів у багатьох застосуваннях. Як розвивається ваш проект безредукторного ліфтового приводу на базі асинхронного двигуна?
Якщо говорити про сучасні запити ринку, більш затребуваними є ліфтові лебідки з поліспастом, де використовується навіть наш безредукторний привід з асинхронним двигуном. Разом з тим, поглиблення компетенцій НІПТІЕМ в галузі проектування двигунів з постійними магнітами дозволило зробити кілька ескізних проектів з безредукторного ліфтового приводу на базі СДПМ. Плануємо організувати випуск таких лебідок у найближчій перспективі.
КМ: Ви створюєте та продаєте тільки електродвигуни чи пропонуєте і оптимізовані приводні рішення «під ключ»? Чи не намагався НІПТІЕМ співпрацювати з іншими виробниками механічних та електронних компонентів для приводу?
Можу сказати, що інститут розробляє і поставляє комплектний електропривод для важких транспортних засобів і для деяких об'єктів спеціального призначення.
КМ: Падіння рубля вдарило по багатьох українських виробниках, але начебто подарувало надію на зростання експорту продукції. Цим шансомвдається скористатися?
Щодо модифікацій та спеціалізованих виконань АЕД, надії на зростання експорту продукції виправдані подвійно.
КМ: Не за горами чемпіонат світу з футболу і, ймовірно, для гостей першості закуплять електробуси. Закуплять за кордоном, тому що їх промислового виробництва в Україні немає. РУСЕЛПРОМ зробив чотири великі гібридні автобуси з різними виробниками з СНД, тягове обладнання показало хороші характеристики, заслужило національну премію «Пріоритет-2016», і що у результаті?
Дозвольте на це питання відповісти виключно як розробник електричних машин, у тому числі і для електробусів. У своїх рішеннях ми постійно покращуємо електромеханічні, масогабаритні показники та надійність згаданих електричних машин. Чи будуть наші рішення використані для гостей мундіалю? Можливо, на півдні України.
КМ: Сьогодні аналогічні гібридні технології активно розвиваються на залізничному транспорті та в суднобудуванні. Які перспективи у цих сегментах?
НІПТІЕМ має досвід розробки та постачання комплектного приводу в суднобудуванні та гібридного приводу для потреб ВАТ «РЗ». Прикладом останнього є розробка та постачання електромеханічної трансмісії вантажно-транспортного вантажного мотовоза «МПТГ-2».
КМ: На закінчення давайте трохи помріємо. Електромашини, побудовані на принципі надпровідності, потужністю 15 кВт на кг ваги…
Якщо це і мрії, то не такі захмарні. В Україні є потужна школа, що досліджує кріогенні електричні машини. Йдеться про кафедру 310 МАІ –« Електроенергетичні, електромеханічні та біотехнічні системи». Тим більше, що своїм питанням ви полегшуєте відповідь, оскільки оперуєте не моментом, а потужністю, відсилаючи нас довисокошвидкісних машин. Хотілося б також зауважити, що деякі дуже сміливі« рапорти» за показником Р/G мають на увазі не тривалу, а пікову потужність. Поки що у НІПТІЕМ є тільки дуже невеликий досвід з розробки кріогенної машини, точніше двигуна, що працює в гранично низьких температурах, на рівні ескізного проекту.