Актуальность темы исследования. В настоящее время цены на природное топливо и электроэнергию подвержены постоянному существенному росту. Согласно прогнозу Минэкономразвития РФ за период 2012-2030 гг. электроэнергия для населения подорожает в 5 раз, для промышленных потребителей - более чем в 2,5 раза. Исходя из текущих прогнозов, следует, что рентабельность энергосберегающего оборудования в РФ в ближайшие годы значительно увеличится, и спрос на него будет расти.
До 70 % энергопотребления промышленного сектора составляет регулируемый и нерегулируемый электропривод (ЭП). В связи с увеличением цен на электроэнергию в промышленности все более усиливается потребность в двигателях высокого класса энергоэффективности. Вводятся стандарты на классы энергоэффективности двигателей, обозначающие требуемый уровень КПД для современных двигателей различной мощности и скорости вращения.
Наиболее используемым типом двигателя на сегодняшний день является асинхронный двигатель (АД). Однако традиционная технология асинхронного двигателя для массового электропривода при соблюдении увязки мощностей и присоединительных размеров CELENEC (принята в странах Европейского Союза (ЕС), ГОСТ Р 51689-2000, таблица А.4) уже не удовлетворяет передовым требованиям к энергоэффективности (классы IE3, IE4), задаваемым стандартами МЭК, в диапазоне относительно небольших мощностей (примерно до 50 кВт), который является наиболее массовым и составляет значительную часть общего энергопотребления. При использовании увязки СЭВ (ряд установочных размеров двигателей, принятых странами членами Совета экономической взаимопомощи; принята в РФ и странах СНГ, ГОСТ Р 51689-2000, таблица А.3), предусматривающей меньшую высоту вращения в сравнение с CELENEC, диапазон мощности, в котором имеются проблемы с реализацией высоких IE классов, еще более расширяется. В любом случае для достижения высоких классов энергоэффективности для АД требуется значительное удорожание и увеличение массы и размеров.
По этим причинам ведущими мировыми производителями и научными организациями ведется поиск неэкстенсивных решений, позволяющих значительно увеличить КПД общепромышленного двигателя. Одним из приоритетных направлений поиска является использование подходящих конструкций синхронных реактивных двигателей, имеющих более высокий КПД чем АД. Синхронный реактивный двигатель (СРД, по английской терминологии - Synchronous Reluctance Motor), в отличие от двигателей с постоянными магнитами (ПМ), не требует использования (и импортирования для производителей РФ и ЕС) дорогих редкоземельных материалов, прост в производстве и эксплуатации, и потенциально практически не уступает двигателям с ПМ по величине КПД.
Диссертационная работа посвящена вопросам разработки и исследования энергоэффективного трехфазного синхронного реактивного двигателя (СРД) малой мощности с питанием от преобразователя частоты (ПЧ) и направлена на теоретическое и практическое обоснование методов разработки и испытания двигателей этого типа, а также на технико-экономические обоснование применения СРД.
Актуальность работы обусловлена высоким энергосберегающим потенциалом использования двигателей рассматриваемого типа и необходимостью дальнейшей разработки вопросов проектирования и испытания таких двигателей.
Степень разработанности темы исследования. История разработки энергосберегающих двигателей переменного тока для работы в составе регулируемого привода занимает не одно десятилетние. На протяжении XX века были разработаны вопросы теории работы асинхронных (Костенко М.П., Булгаков А.А., Гольдберг О.Д., Иванов-Смоленский А.В., Шрейнер Р.Т., Панкратов В.В., Макаров Л.Н., Дементьев Ю.Н., Поляков В.Н., Браславский И.Я. и др.) и синхронных двигателей (Вейнгер А.М., Lipo T. и др.) при работе от преобразователя частоты (ПЧ). В 2000-2010-х гг. вопросами проектирования асинхронных двигателей, в том числе адаптированных для работы от ПЧ, с учетом требований к их энергоэффективности, согласно стандартам ГОСТ и МЭК занимались Беспалов В.Я., Кобелев А.С., Кругликов О.В., Макаров Л.Н и др.
Отдельным направлением является разработка энергосберегающего трехфазного синхронного реактивного двигателя с синусоидальным распределением обмотки статора, активно начавшаяся с 1960 гг. и идущая по настоящее время. Проблема была разработана как для двигателей с прямым питанием от сети, так и для двигателей с питанием от ПЧ (Уриновский Д.С., Кононенко Е.В., Беспалов В.Я., Lawrenson P., Honsinger V., Francecchini G., Miller T., Betz R., Lipo T., Vagati А., Pellegrino G. и др.). Ведущие мировые производители и научные организации исследуют характеристики данного типа двигателя и осваивают производство СРД традиционной трехфазной конструкции и подобных двигателей, достигая высоких рабочих свойств для экспериментальных и серийных образцов. За рубежом среди крупных фирм, освоивших серийное производство энергоэффективных СРД можно отметить международный концерн ABB (“ASEA Brown Boveri”), немецкую компанией KSB ("Klein, Schanzlin & Becker"), а также и компанию Siemens. В России ПАО «НИПТИЭМ» в 2015 была представлена разработка образцов трехфазного СРД мощностью 18,5-110 кВт. Разработкой различных вариантов конструкции 3-х фазного СРД с питанием от сети также занимаются в Томском политехническом университете (ТПУ).
Близкими по преимуществам, хотя и существенно различными по рабочим свойствам и методике проектирования, к трехфазным СРД являются также вентильно-индукторный двигатель (разработкой занимаются Южно-Уральский государственный университет (ЮУрГУ), Московский энергетический институт (технический университет) (МЭИ), ОАО «Всероссийский научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт электровозостроения (ОАО «ВЭлНИИ»), Ростовский государственный университет путей сообщения (РГУПС) и др.) и синхронный реактивный двигатель независимого возбуждения (разработкой занимается ЮУрГУ).
Однако не все проблемы решены. Вопрос о максимальных рабочих свойствах СРД с учетом ограничений современной серийной технологии производства и требований целевого приложения все еще требует дальнейшего рассмотрения. В частности не вполне неясным остается вопрос: может ли СРД классической трехфазной конструкции быть рентабельным энергосберегающим решением, достигая высоких энергетических и массогабаритных показателей, при реализации двигателя с увязкой мощностей и размеров СЭВ для применения в регулируемом приводе насосов и вентиляторов, в условиях российской промышленности.
Целью диссертационной работы является разработка образца энергоэффективного СРД малой мощности, с учетом требований рассматриваемого приложения; точное экспериментальное сравнение его рабочих и массогабаритных характеристик со стандартным АД; оценка рентабельности применения СРД как общепромышленного двигателя.
Задачи, которые были поставлены для достижения указанной цели:
- проведение аналитического обзора современных требований к энергоэффективности общепромышленного трехфазного двигателя переменного тока. Проведение аналитического обзора возможных способов повышения энергоэффективности трехфазного двигателя переменного тока, с целью соответствия передовым требованиям. Осуществление оценки перспективности применения СРД, в сравнение с другими доступными решениями для увеличения КПД двигателя;
- проведение анализа различных конструкций ротора СРД, описанных в отечественной и зарубежной литературе; осуществление выбора конструкции ротора, наиболее подходящей для целевого приложения;
- разработка алгоритма расчета магнитной системы, позволяющего, в рамках классической методики проектирования, учесть особенности работы СРД от преобразователя частоты с векторным токовым управлением, особенности конструкции ротора, произвести уточенный расчет индуктивностей и магнитных потерь рабочего режима;
- разработка компьютерной математической модели, позволяющей, с помощью рассчитанных или измеренных электрических параметров схемы замещения, оценить рабочие свойства СРД в статических и динамических режимах, при применении различных источников питания, с учетом насыщения, магнитных и механических потерь;
- экономический расчет и технические обоснование целесообразности применения СРД в рассматриваемом приложении (привод вентиляторных и насосных установок);
- разработка и изготовление образца СРД в статоре серийного асинхронного двигателя;
- проведение анализа современных стандартных методов определения КПД трехфазных двигателей переменного тока с питанием от ПЧ, с целью определения наиболее подходящего экспериментального метода;
- разработка и реализация испытательного стенда для определения величины потерь и КПД для двигателей с питанием от ПЧ, согласно ГОСТ Р МЭК 60034-2-1-2009 (МЭК 60034-2-1) и МЭК 60034-2-3, методом входной и выходной мощности (прямой метод);
- проведение сравнительного экспериментального исследования рабочих и энергетических параметров рассматриваемых образцов АД и СРД в широком диапазоне моментов нагрузки и скоростей вращения; определение КПД и класса энергоэффективности двигателей, согласно ГОСТ Р 54413-2011 (МЭК 60034-30-1) и МЭК 60034-30-2.
Областью исследования являются электродвигатели переменного тока, предназначенные для работы в составе регулируемого электропривода.
Объектом исследования является трехфазная синхронная реактивная электрическая машина с синусоидальным распределением обмотки статора, без обмоток на роторе, с питанием от преобразователя частоты.
Научная новизна результатов исследований заключается в следующем:
- разработан алгоритм уточненного расчета рабочих характеристик трехфазного СРД без пусковой обмотки, с питанием от ПЧ;
- разработан метод косвенного определения КПД двигателя рассматриваемого типа, путем сложения отдельных составляющих потерь;
- получены достоверные экспериментальные данные о распределении отдельных типов потерь для рассматриваемых опытных образцов АД и СРД, выполненных в одном и том же корпусе при увязке мощностей и присоединительных размеров СЭВ при работе на одинаковую нагрузку.
Теоретическая и практическая значимость работы:
- обосновано применение двигателя рассматриваемого типа в энергоэффективном
регулируемом электроприводе, показана реализуемость и экономическая
целесообразность такого решения;
- разработана математическая модель СРД, включая магнитный расчет и расчет динамических режимов, для оценки рабочих и энергетических характеристик при работе в составе регулируемого привода;
- создан опытный образец двигателя рассматриваемого типа, изучена и отлажена технология изготовления пакетов магнитопровода статора и ротора без применения штамповки;
- создана современная экспериментальная установка для определения КПД двигателей переменного тока с питанием от ПЧ методом входной и выходной мощности;
- получены достоверные экспериментальные данные, подтверждающие реализуемость СРД класса энергоэффективности IE4, согласно МЭК 60034-30-1, и класса IE3, согласно МЭК 60034-30-2, при выполнении двигателя в увязке мощностей и присоединительных размеров СЭВ, в широком диапазоне мощностей, включая мощности менее 1 кВт.
Результаты диссертационного исследования могут быть использованы при разработке и производстве серийных двигателей рассматриваемого типа с классом энергоэффективности IE3 и выше, согласно МЭК 60034-30.
Методология и методы исследований. В работе использовались методы теоретического и экспериментального исследования. При решении поставленных расчетных задач использовалась широко распространенная методология комбинированного подхода, основанного на сочетании метода теории поля и теории электрических цепей. В области математического моделирования СРД применялись программные продукты Matlab (Simulink), FEMM 4.2. При выполнении экспериментального исследования образцов производились наблюдение и измерение, которые были необходимы для проверки и уточнения результатов теоретического анализа. Испытания по определению величины потерь и КПД проводись в соответствие с рекомендациями и методами, изложенными в стандартах МЭК 60034-2-1 и МЭК 60034¬2-3. При обработке больших массивов экспериментальных данных использовались статистические методы метрологии.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Математическая модель для расчета рабочих характеристик СРД без пусковой обмотки, с питанием от ПЧ, с учетом насыщения, магнитных и механических потерь;
2. Результаты технико-экономического обоснования применения СРД как общепромышленного двигателя в регулируемом электроприводе;
3. Рекомендации по выбору типа конструкции ротора и других проектных характеристик СРД для применения в целевом приложении;
4. Методика косвенного определения КПД двигателя рассматриваемого типа, путем сложения отдельных составляющих потерь;
5. Результаты сравнительных экспериментальных исследований рабочих свойств и показателей энергоэффективности опытных образцов АД и СРД.
Достоверность полученных результатов диссертационной работы обеспечены:
- корректностью принятых допущений при математическом моделировании физических процессов;
- использованием современного программного обеспечения при проведении расчетов на ЭВМ.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях, семинарах, совещаниях. В том числе на Международной конференции «Актуальные проблемы энергосберегающих электротехнологий» АПЭЭТ-2014 (Екатеринбург, УрФУ, 17-20 марта 2014 г.); Научно-практической конференции с международным участием «Энерго- и ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» (Екатеринбург, УрФУ, 16-19 декабря 2014 г.); Международной научно-технической конференции «Проблемы повышения эффективности электромеханических преобразователей в электроэнергетических системах» (Севастополь, СевНТУ, 15-19 сентября 2015 г.); Шестнадцатой научно-технической конференции «Электроприводы переменного тока» - ЭППТ 2015 (Екатеринбург, УрФУ, 5-9 октября 2015 г.); Девятой международной (двадцатой всероссийской) конференции «по автоматизированному электроприводу АЭП-2016 (ICPDS'2016) (Пермь, 3-7 октября 2016 г.); Electrical Machines and Systems (ICEMS), 2015 18th International Conference (Thailand, Pattaya, October 2015 г.); International Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion (SPEEDAM), (Italy, Capri, June 2016 г.).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 15 научных работ, из них 2 в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК, и 2 в изданиях, индексируемых в системе цитирования Scopus.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 94 наименований. Общий объем работы составляет 128 страниц, 46 рисунков, 24 таблицы.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
