Анализ возможности использования синхронных двигателей с постоянными магнитами на предприятиях энергетики
Analysis of the possibility of using synchronous motors with permanent magnets in power plants
Любицкий Андрей Михайлович, начальник отдела технического перевооружения и реконструкции объектов электросетевого хозяйства ПАО «Кубаньэнерго» г. Краснодар, Россия
Любицкий Михаил Владимирович,
кандидат технических наук, доцент кафедры «Информационных систем, электропривода и автоматики» Невинномысского технологического института филиала ФГБОУ ВО «Северо-Кавказский федеральный университет», г. Невинномысск, Россия
Lyubyts'ke A.M., head of the technical Department of the treas-armaments and reconstruction of electric grid facilities of JSC "Kubanenergo " Krasnodar, Russia
Lyubitsky M. V., candidate of technical Sciences, associate Professor, Department of Information systems, electric drive and automation, Nevinnomyssk technological Institute, branch of Severo-Caucasian Federal University
АННОТАЦИЯ
В статье рассмотрены вопросы ресурсосбережения за счет применения электродвигателей с улучшенными технико-экономическими показателями и повышенной надежностью Для этого проведен сравнительный анализ использования двигателей с постоянными магнитами в системах электроприводов центробежных насосов, компрессоров, вентиляторов, конвейеров и др. на объектах собственных нужд предприятий энергетики. А также возможности их использования на других службах.
Ключевые слова: электродвигатели, асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, синхронный двигатель на постоянных магнитах
синхронный двигатель магнит насос
ABSTRACT
The article deals with the issues of resource saving through the use of electric motors with improved technical and economic performance and increased reliability.for this purpose, a comparative analysis of the use of motors with permanent magnets in electric drive systems of centrifugal pumps, compressors, fans, conveyors, etc. on the objects of own needs of energy enterprises is conducted. As well as the possibility of their use in other services.
Keywords: electric motors, asynchronous motors with a co-closed rotor, synchronous motor with permanent magnets
Целью работы является рассмотрение вопросов ресурсосбережения за счет применения электродвигателей с улучшенными технико-экономическими показателями и повышенной надежностью. Для этого проведен сравнительный анализ использования двигателей с постоянными магнитами (СДИМ) в системах электроприводов центробежных насосов, компрессоров, вентиляторов, конвейеров и др. на объектах собственных нужд предприятий энергетики. А также возможности их использования на других службах. В качестве электродвигателей переменного тока в настоящее время широко применяются асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором (АДКР). На сегодняшний день начали внедряться механизмы с использованием электродвигателей на постоянных магнитах. СДПМ имеет ряд преимуществ перед классическими электродвигателями, к которым относятся асинхронные с короткозамкнутым и фазным ротором, и синхронные электродвигатели с питанием обмотки ротора постоянным током. Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором в настоящее время являются достаточно массовым электродвигателем переменного тока.
Достоинствами, которые сыграли роль в их популярности, являются следующее: простота конструкции и производства, высокая надёжность, не нуждаются в преобразователях для включения в сеть, небольшие расходы при эксплуатации. Ко всему этому, можно добавить незначительную относительную стоимость асинхронных двигателей. Но АДКР также имеют и недостатки: невысокий коэффициент мощности и коэффициент полезного действия, трудность в точной регулировке скорости, маленький пусковой момент, зависимость электромагнитного момента от напряжения сети (M~U2), значительные пусковые токи (6-7 кратность по отношению к номинальному). Но благодаря питанию электродвигателя с помощью частотного преобразователя (ПЧ), некоторые недостатки АДКР устраняются.
Синхронные двигатели на постоянных магнитах это попытка, прежде всего, избавится от этих недостатков или снизить их уровень: уменьшить вес и габаритные размеры электрической машины, упростить ее конструкцию, повысить надежность и простоту эксплуатации за счет большего воздушного зазора, уменьшить зависимость от колебания напряжения сети, т.к. M~U. Например, в [6] в разделе «Расчет асинхронных двигателей» на рис.6-21 величина воздушного зазора АДКР с высотой оси вращения h < 250мм и числом полюсов 2р > 12, составляет величину S менее 0.6мм. В [5] приводится расчет СДНМ с номинальной мощностью Рн=20кВт, h=250мм. Для скорости n=214 об/мин, величина воздушного зазора 1 мм. В [4] для АД модели 4АН180М8У3 номинальной мощностью Рн = 18.5 кВт величина воздушного зазора составляет 5=0.45мм.
СДПМ на сегодняшний день имеют самые высокие эксплуатационные показатели (КПД - коэффициент полезного действия и коэффициент мощности -COSf) и быстро набирают популярность в устройствах, где требуются высокие удельные характеристики: большое отношение номинальной мощности развиваемой двигателем к его массе и отношение крутящего момента, создаваемого двигателем к его массе. Рынок СДПМ достаточно обширный и представлен моделями для приводов малой, средней и большой мощности, от 0.75до 650 кВт, с номинальными скоростями от 375об/мин до5500об/мин, рабочим напряжением
220/380/440/660 В. В представленной работе приведены некоторые из них, например, в [1-3]. Для сравнения в табл.1 и 2 помещены паспортные данные АДКР и СДПМ мощностью Рн =55 кВт.
Таблица 1
Асинхронный двигатель с короткозамкнутой обмоткой [4]
Таблица 2
Синхронный двигатель с постоянными магнитами [1]
В табл.1 и 2: Мп /Мн- кратность пускового момента; 1п/ 1н- кратность пускового тока; Мтах /Мн- кратность максимального момента
В табл. 1 в графе «Тип электродвигателя» - «От пч» значения пусковых токов перечислены для пускового момента в относительных единицах 0.6, как у двигателя СДПМ. Таким образом, пусковые токи для АД остаются значительными даже при таком уменьшении пускового момента.
Следует заметить, что АД в настоящее время, как правило, снабжаются преобразователями частоты. Проведенный анализ электрооборудования многих гидроэлектростанций (ГЭС) показал, что большинство асинхронных электроприводов собственных нужд работают в системах «ПЧ-АД».
В режиме регулируемой скорости К.П.Д. для АДКР при питании от ПЧ снижается и определяется следующей формулой [1].
СДПМ с дополнительной короткозамкнутой обмоткой ротора, например LSPM, используются для пуска под нагрузкой. Такая конструкция позволяет двигателям запускаться в асинхронном режиме при питании напрямую от сети (с устройством плавного пуска - УПП), или с частотным преобразователем в разомкнутых и замкнутых системах электроприводов насосов, компрессоров, вентиляторов, конвейеров и др. Практически СДПМ работают от ПЧ и, за некоторым исключением, не могут правильно функционировать прямо от сети. СДПМ в сочетании с энкодерами применяются для регулируемых электроприводов управления движением механизмов с большим диапазоном регулирования скорости и в системах числового программного управления (ЧПУ). Трехфазный СДПМ серии YGT является вентильным двигателем, принцип работы которого основан на том, что контролер (датчик положения ротора и датчик частоты вращения) устройства начинает коммутировать обмотки статора.
На рис. 1 представлены графики энергетических показателей электроприводов переменного тока «ПЧ-АД» и «ПЧ-СДЛМ» в зависимости от скорости.
Рисунок 1 К.П.Д. и COSq систем «ПЧ-АД» (1) и «ПЧ-СДПМ» (2)
В рассматриваемой работе произведен расчет снижения потребления активной и реактивной мощностей при замене системы «ПЧ-АД» на «ПЧ- СДПМ» электропривода центробежного насоса мощностью Рн= 75кВт и скоростью ин=1500об/мин, используемого в системе собственных нужд одной из ГЭС, в течение месяца (1=720час.)
Обоснование выбора СДПМ производится на основании технико- экономического сравнения вариантов «ПЧ-АД» и «ПЧ- СДПМ» или «УПП- СДПМ» для электроприводов служб энергетики (конвейеры, насосы, компрессоры) по эксплуатационным показателям. Рассмотренное сравнение дает преимущества для систем с СДПМ:
Упрощение агрегата за счет возможности обеспечения прямого привода без промежуточных шкивов, ремней, редукторов и мультипликаторов «ПЧ-АД»: пі=91.6; со8фі=0.9; «ПЧ-СДЛМ»: П2=95.6; со8ф2=0.96
Уменьшение потребления активной и реактивной мощностей: AWa = 2.467 МВт-ч.; AWp =12.08 МВАр-ч. Графики снижения этих мощностей за тот же период в зависимости от скорости показаны на рис. 2.
Рисунок 2-Графики уменьшения потребления активной и реактивной энергии в течение месяца (і=720час.) в зависимости от скорости
Более длительный срок службы: за счет снижения температуры подшипников и ротора; повышение надежности за счет большего воздушного зазора
Снижение потребляемой электроэнергии
Снижение объема технического обслуживания: меньше ударных нагрузок на механизм
Меньшая чувствительность к колебаниям напряжения, так как максимальный момент пропорционален напряжению в первой степени, а не квадрату напряжения как в АД.
Использование СД11М с КЗ обмоткой на роторе с устройствами плавного пуска для механизмов непрерывного действия -- конвейеры, насосы, компрессоры
Использование СД11М с КЗ обмоткой на роторе с частотным преобразователем при регулировании производительности для тех же механизмов
Использование СД11М с КЗ обмоткой на роторе в случае (б) и (7) также в установках с индивидуальными источниками питания (ГПУ, установки ветряные или с использованием солнечной энергии)
СДПМ без КЗ обмотки должен снабжаться соответствующей системой управления или контроллером (оптимально адаптировать магнитное поле и генерировать вращение). Де-факто СДПМ в сочетании с резольверами и энкодерами являются вентильными двигателями, например СД1М серии YGT [4].
Недостатки: риск размагничивания при высоких значениях тока и температуры, что, однако, редко встречается на практике; проблема, связанная с ремонтом двигателя- из-за наличия сильных магнитов в роторе процесс извлечения ротора из статора является сложным и требует применения специальных инструментов; относительно высокая цена устройства из-за применения в его конструкции ротора, который имеет дорогостоящие постоянные магниты.
Ссылки
І.Каталог моделей Dyneo - UnidriveM - LSRPM - Ь8РМ[Электронный ресурс]. - http://www.leroy- somer.com/_popup/en/downloads/catalogues/?id=390 9
2.Описание продукции электродвигателей типа ФЭДС [Электронный ресурс]. - http://izhdrill.ru/assets/files/production/tehopisanie_el ektrodvigateli.pdf
З.Официальный сайт «Leroy-Somer»-
http://acim.nidec.com/motors/leroy- somer/products/permanent-magnet-synchronous- motors/lsrpm-dyneo
Характеристики двигателей серии
ҐОТ[Электронный ресурс] -http://huadong-
motor.ru/2-1-three-phase-synchronous-motor/174502
Асинхронные двигатели серии 4А: Справочник / А90 А.Э. Кравчик, М.М. Шлаф, В.И Афонин, Е.А. Соболенская. - М.: Энергоиздат, 1982. - 504с., ил.
Расчет и проектирование синхронного двигателя с постоянными магнитами: диссертация на соискание степени магистра / А.С.Бондин. Санкт-Петербургский политехнический университет 1етра Великого, 201б год.
Достоинства и недостатки существующей системы нормирования потерь электроэнергии на предприятиях электросетевого комплекса. Чебанов К.А., Гринь А.И., Куролесов Д.О. В сборнике: Актуальные научные исследования материалы национальной конференции. 2018. С. 154-163.