Scientific journal
Modern high technologies
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,021

INDUCTION MOTORS REDESIGN USING THE COMBINED WINDINGS PRINCIPLE BASED ON COMPUTER MODELS STUDY AS A MEANS OF IMPROVING THE ENERGY-EFFICIENCY AND PERFORMANCE CHARACTERISTICS OF ELECTRIC DRIVES

Duyunov D.A. 1 Duyunov E.D. 1 Teplova Ya.O. 2 Koldaev V.D. 3 Koshlich Yu.A. 4
1 «AS & PP» LLC
2 Aspromt LLC
3 National Research University of Electronic Technology
4 The Federal State Budget Educational Institution of Higher Education «Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov»
Статья посвящена исследованию возможностей повышения энергетических и эксплуатационных характеристик электроприводов на базе асинхронных электрических двигателей (АСД). Предложена технология повышения энергоэффективности АСД, основанная на применении новых конструкций так называемых совмещенных обмоток и метода машинного проектирования. Проектирование выполняется на основе компьютерного моделирования и разработки конструктивных решений по результатам анализа моделей и компьютерных симуляций. Предлагаемые решения реализованы на практике. Исследованы результаты сравнительных испытаний образцов серийно производимого двигателя общепромышленного назначения стандартного исполнения и модернизированного двигателя с заменой обмоток. Установлено, что применение решений позволяет существенно улучшать эксплуатационные характеристики двигателя. Выполнено компьютерное моделирование работы серийно выпускаемого асинхронного двигателя в стандартном исполнении, двигателя с совмещенными обмотками (модернизированного) и перепроектированного. Результаты моделирования показали, что модернизация приводит к существенному снижению общих потерь в элементах магнитопровода двигателя, повышению его перегрузочной способности и повышению удельной мощности. Также выявлена целесообразность перепроектирования серийных двигателей в зависимости от режимов работы, области применения и т.д. Установлено снижение энергопотребления для исследуемого двигателя на 12–14%. В целом использование совмещенных обмоток для двигателей, работающих с регулярно меняющейся нагрузкой и при перепадах питающего напряжения, а также их перепроектирование на основе анализа результатов компьютерного моделирования позволяет существенно снижать потребление электроэнергии.
The article is dedicated to the study of ways for improving electric drives based on induction motors (IM) power and performance characteristics. The technology of increasing IM energy effectiveness based on new schemes of so-called combined windings construction and computer-aided design method is proposed. The CAD method is based on computer simulation and construction solutions development using results of computer models and simulations analysis. The results of comparative tests of a standard-produced general industries electric motor with standard design, a modernized motor with the standard windings replaced by the combined ones are studied. The results showed that implementing the proposed solutions allows significantly improve IM performance characteristics. The computer simulation of the mass-produced asynchronous motor in the standard version, the engine with the combined windings (modernized) and the redesigned was carried out. The simulation results showed that modernization leads to a significant reduction in overall losses in motor magnetic circuit elements, increases its overload capacity and the specific power. Also, the practicability of motors redesign is revealed due to the significant possibilities of operational characteristics improving depending on the operation modes, the field of application, etc. A decrease in energy consumption for the engine under study was found to be 12-14%. In general, the use of combined windings for IM operation with a regularly changing load and with variations in the supply voltage, as well as their redesign based on analysis of the computer simulation results, can significantly reduce power consumption.
electric drive
induction motor
combined windings
energy efficiency
drive operational characteristics
computer simulation

В числе ключевых стратегических задач развития экономики выделяют задачи энергосбережения и снижения энергоемкости ВВП (Федеральный закон № 261-ФЗ). Энергосбережение в любой сфере сводится по существу к снижению потерь энергии. Известно, что большая часть потерь (до 90 %) приходится на сферу энергопотребления. Структуру потребителей электроэнергии обобщенно можно представить следующим образом: электроприводы, в первую очередь общепромышленного назначения, – 62 %, электрический транспорт – 9 %, электротермия и электротехнология – 8 %, освещение и прочие потребители – 21 %. Наиболее широко в составе электропривода применяются асинхронные электродвигатели (АД). На сегодняшний день насчитываются тысячи видов и наименований таких машин, применяемых практически во всех областях деятельности. Соответственно, задачи улучшения характеристик АД представляются ключевыми в контексте снижения энергоемкости технологических процессов [1, 2]. Так, в странах Европейского союза Директива ЕС 640/2009, предписывающая соответствие требованиям класса энергоэффективности IE3 (Premium Efficiency), начиная с января 2015 г. распространяется на двигатели номинальной мощностью 7,5–375 кВт и с 2017 г. на двигатели мощностью 0,75–375 кВт [3].

Со времени изобретения АД лишь в течение последних десятилетий технология их изготовления подвергалась модернизации: за рубежом в заметном количестве на фоне мирового годового выпуска более 7 млрд двигателей производятся так называемые энергоэффективные двигатели. Необходимо отметить, что они достигают наилучших характеристик в номинальных режимах при постоянных нагрузке и напряжении питающей трехфазной сети. При этом в условиях реальной эксплуатации большинства электрических приводов значительная часть времени работы АД приходится на переходные процессы. Соответственно, применяемые энергоэффективные АД не могут заменить в большинстве случаев, как правило, более дорогостоящие и менее надежные двигатели постоянного тока.

На сегодняшний день повышение энергоэффективности АД достигается преимущественно за счет увеличения доли новых дорогостоящих электротехнических материалов. В качестве возможных путей решения задач улучшения энергетических и эксплуатационных характеристик АД предлагается применение новых конструкций совмещенных обмоток (СО), при которых схемы обмоток совмещают в себе соединения типов «звезда» и «треугольник» [4, с. 150, 5], а также использование специализированных информационных технологий и компьютерных моделей для проектирования и перепроектирования энергоэффективных электрических машин. Технология СО имеет доказанную эффективность, подтвержденную опытно-промышленной эксплуатацией на предприятиях в РФ модернизированных серийных АД, при этом не утрачивает актуальности необходимость ее развития и создания новых конструктивных решений, удовлетворяющих повышающимся требованиям к качеству технологических процессов [6, с. 12].

На сегодняшний день широко применяются методы математического описания оборудования, расчета и анализа электромагнитных и электромеханических процессов, а также методы решения задач, которые возникают в процессе моделирования и анализа конструкций электроприводов. Одной из центральных задач машинного проектирования АД является моделирование параметров электромагнитных полей с достаточной точностью и достоверностью для разработки конструктивных решений, обеспечивающих улучшение прежде всего моментных характеристик АСД [7, с. 34, 35, 8, с. 43]. Ряд ученых и специалистов считают, что проектирование современных асинхронных двигателей с позиций идеализированной асинхронной машины является недостаточно обоснованным, потому что использование аналитической теории асинхронной машины в некоторых случаях приводит к возникновению существенных погрешностей при проектировании. Для проектирования АД рекомендуют применять аналитическую теорию асинхронной машины с учетом того, что допущения идеализированной машины зачастую могут приводить к наличию значительных погрешностей.

Для решения задач повышения энергоэффективности АД и реализации преимуществ конструкций СО предложена разработка конструктивных решений на основе параметрической оптимизации и расчета характеристик АД в специализированных программных средах. В частности, для расчета, моделирования разработки и проверки конструктивных решений была выбрана среда ANSYS Maxwell. Она позволяет выполнять аналитический расчет характеристик электрической машины с учетом ее типа, геометрических параметров, свойств материалов, параметров обмоток, моделирования напряженности магнитного поля, индукции, магнитного потока и др., использовать параметрический анализ и методы оптимизации, а также работать с постпроцессором для расчета и оптимизации решений, основанных на анализе создаваемых компьютерных моделей [9]. При моделировании АСД исследуются конструкции обмоток и элементов магнитопровода машины для создания конструктивных решений, обеспечивающих достижение целевых показателей выбранных параметров, а также учитываются результаты промежуточных испытаний создаваемых образцов для доработки моделей и решений [10, с. 47].

Сравнение результатов серии проведенных лабораторных испытаний общепромышленных АСД с результатами анализа моделей тех же машин показало расхождения, не превышающие 1 %, что позволило сделать вывод о высокой достоверности методов машинного проектирования, основанных на исследовании компьютерных моделей, создаваемых с помощью выбранного инструментария.

В табл. 1 представлены результаты измерения электрических параметров в ходе сравнительных испытаний АД АИР 71В4 с неизмененной заводской трехфазной обмоткой и с разработанной на основе результатов моделирования совмещенной обмоткой статора, выполненных на базе лаборатории БГТУ им. В.Г. Шухова: 1 – АСД заводского исполнения, 2 – модернизированный АСД с СО. В качестве нагрузки к выходной цепи генератора присоединялись автомобильные лампы накаливания, набранные группами для создания нагрузки в (10, 25, 50, 75, 100, 125) % от паспортной номинальной мощности АД (0,75 кВт).

duyn1a.tif duyn1b.tif

Рис. 1. Графики тока и активной мощности сравниваемых образцов АД

Таблица 1

Результаты сравнительных испытаний АД АИР 71В4 в заводском исполнении и после модернизации

Нагрузка, % от номинальной

0 (без ремня)

10

25

50

75

100

125

Улучшение характеристики, раз

1

2

1

2

1

2

1

2

1

2

1

2

1

2

Ток, А

2,2

1,1

2,2

1,2

2,2

1,25

2,15

1,4

2,2

1,6

2,3

1,8

2,5

2,13

2,00

Активная мощность P

228

91

331

212

545

433

705

600

890

794

1030

945

1300

1235

2,51

Реактивная мощность ВАр

1520

796

1430

780

1350

753

1283

743

1250

760

1200

770

1158

823

1,91

Полная мощность ВА

1540

800

1470

803

1450

872

1470

954

1527

1104

1585

1217

1748

1490

1,93

Cos φ (коэффициент мощности)

0,14

0,12

0,22

0,26

0,3

0,36

0,47

0,72

0,58

0,72

0,65

0,77

0,74

0,83

1,17

duyn2a.tif duyn2b.tif

Рис. 2. Графики реактивной мощности и полной мощности сравниваемых образцов АД

duyn3.tif

Рис. 3. Графики изменения коэффициента мощности сравниваемых образцов АД

Рис. 1–3 иллюстрируют изменения характеристик АД в результате замены обмоток на совмещенные.

Было установлено, что значительное изменение основных характеристик АД № 2 обусловлено непосредственно модернизацией и находится за пределами погрешности измерений. Зафиксировано существенное улучшение характеристик АД практически во всех режимах и рост КПД в более широком диапазоне нагрузок. Результаты позволяют сделать вывод о том, что в процессе реальной эксплуатации привод с модернизированным двигателем позволит получить сокращение энергопотребления в пределах 14–20 % от фактического потребления привода с двигателем в заводском исполнении.

Необходимо отметить, что внесенные изменения ограничивались заменой обмоток статора двигателя № 2: были изменены схема укладки катушек статора и коммутация катушек в соответствии со схемой СО, при этом механическая часть двигателя изменениям не подвергалась.

Помимо возможностей модернизации существующего парка электрических машин в процессе исследования применения СО и реализации их преимуществ также рассматриваются возможности создания новых конструктивных решений и перепроектирования применяемых АД [11, с. 60, 12].

В табл. 2 представлены результаты проведенного моделирования и сравнения (расчетные) работы электродвигателей АДММ56А2: в стандартном исполнении (1), перемотанного (2 – модернизированного аналогично упомянутому выше двигателю АИР 71В4) и перепроектированного (3), т.е. подвергнутого как замене схемы обмоток, так и изменению механических частей, в частности геометрических параметров пластин ротора и статора.

Таблица 2

Результаты моделирования работы АД АДММ56А2

Характеристика

№ 1

№ 2

№ 3

Номинальная мощность, кВт

0,18

Номинальный момент, Н*м

0,66

Номинальное скольжение, %

13

Номинальные обороты, об/мин

2610

Обороты при номинальном моменте, об/мин

2830,22

2847,92 (+0,6 %)

2884,49 (+1,9 %)

Момент при номинальных оборотах, Н*м

1,19

1,37 (+15,12 %)

1,73 (+45,37 %)

Пусковой момент, Н*м

1,31

2,12 (+61,83 %)

2,92 (+122,9 %)

Максимальный момент, Н*м

1,66

2,17 (+30,72 %)

2,92 (+75,9 %)

КПД при загрузке 100 % номинала стандартного двигателя, %

78,01

87,88 (+9,87)

85,56 (+7,55)

КПД при загрузке 75 % номинала стандартного двигателя, %

77,8

86,76 (+8,96)

82,69 (+4,89)

КПД при загрузке 50 % номинала стандартного двигателя, %

73,2

83,2 (+10)

79,04 (+6,02)

КПД максимальный, %

78,05

88,18 (+10,13)

86,48 (+8,43)

Результаты расчетов и анализа моделей говорят о существенном улучшении моментных характеристик модернизированного (перемотанного) и в особенности перепроектированного двигателя, что может быть использовано для снижения энергопотребления и повышения качества технологических процессов в механизмах с переменной производительностью для АД в составе частотно регулируемого привода.

Установлено значительное повышение КПД перепроектированного и модернизированного АСД в широком диапазоне нагрузок, также характерном для электроприводов, работающих преимущественно за пределами номинальных режимов.

Кроме приведенных, имеется ряд результатов, доказывающих целесообразность и практическую значимость примененных методов машинного проектирования электрических машин, в частности АСД, на основе анализа компьютерных моделей, а также модернизации существующего парка машин [13, с. 45]. В частности, применение СО, а также перепроектированных элементов магнитопровода АД для ряда машин общепромышленного и специального назначения позволило добиться существенного улучшения энергетических и эксплуатационных характеристик, в частности снижения энергопотребления от 12 до 50–60 % при той же полезной работе, увеличение срока службы приводов за счет снижения уровня вибраций, снижение уровня электромагнитных помех, генерируемых в сеть, возможность повышения класса энергоэффективности АД и перевода оборудования на использование двигателей меньшей мощности.

Тем не менее следует отметить необходимость и возможность усовершенствования используемых решений. В частности, специалисты отмечают недостаточную изученность частотного механизма управления АД (частотно-регулируемый привод) [13, с. 43], особенно в сетях с тяговыми нагрузками, что снижает надежность энергосистем и эффективность мер по энергосбережению. Результаты моделирования, опытно-промышленной эксплуатации энергоэффективных электроприводов на базе АД с СО и результаты исследования их влияния на питающие сети позволяют сделать также обоснованные предположения о том, что масштабное внедрение таких приводов позволит обеспечить и устойчивость энергосистем с относительно небольшими издержками за счет снижения уровня генерируемых помех [14, с. 168, 169]. В связи с этим решение задач, связанных с этой проблемой, в совокупности с внедрением методов и средств повышения энергоэффективности электроприводов на базе АД представляется перспективным и актуальным направлением развития электротехнической отрасли.