РОЗДІЛ 2. ВИЗНАЧЕННЯ ШЛЯХІВ ПІДВИЩЕННЯ ЕНЕРГЕТИЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК АСИНХРОННИХ ЕЛЕКТРОДВИГУНІВ
2.1. Аналіз існуючих способів покращання енергетичних характеристик асинхронних електродвигунів
В умовах постійного зростання цін на енергоносії та підвищення собівартості виробництва 1 кВт?год електричної енергії особлива увага приділяється питанню підвищення енергетичних показників асинхронних електродвигунів, які споживають від 40 до 80% електроенергії для різних галузей промисловості та сільського господарства. Тому чільне місце посідають розробки, які дозволяють підвищити енергетичні показники асинхронних електродвигунів, оскільки саме у цій сфері закладені найбільші резерви енергозбереження [18].
З літератури відомі різні підходи до вирішення проблеми підвищення енергетичних показників асинхронних електродвигунів. Так, багато закордонних спеціалістів серйозно займаються проблемою створення енергозберігаючих асинхронних електродвигунів, ККД і яких підвищується за рахунок збільшення маси активних матеріалів та підвищення їх якості [69, 70, 71, 72, 73, 74].
Зокрема, на сьогоднішній день вже розроблені і освоюються виробництвом асинхронні електродвигуни серії 5А з висотою осі обертання від 71 до 355 мм і потужністю від 0,55 до 315 кВт при 1500 об/хв [75]. Двигуни серії 5А мають традиційну конструкцію закритих обдувних машин із ребристою станиною і відцентровим вентилятором зовнішнього обдування. Двигуни цієї серії мають ізоляційну систему класу нагрівостійкості F. При цьому температура обмотки статора двигунів у номінальному режимі суттєво нижча гранично допустимої, що забезпечує середній ресурс двигунів 30000 год і більше і можливість використання двигунів із сервіс-фактором 1,15 [1].
Активні частини двигунів проектувались із врахуванням реальних співвідношень вартості матеріалів та електроенергії. Суттєве підвищення вартості електроенергії призвело до необхідності підвищення ККД двигунів 5А і, перш за все, машин старших габаритів. Прийнявши незмінним ККД двигуна в діапазоні навантажень від 0,6 до номінального, річну економію електроенергії (кВт?год) при підвищенні ККД двигуна потужністю (кВт) з до можна визначити за формулою:
, (2.1)
де - коефіцієнт завантаження; - річне напрацювання двигуна, год.
Підвищення ККД двигунів серії 5А досягається як за рахунок оптимізації розмірів активних частин і обмоткових даних, так і за рахунок деякого збільшення маси активних частин, що, як правило, достатньо швидко окупається отриманою економією електроенергії.
Підвищення ККД на 1% збільшує вартість матеріалів у двигуні потужністю 5,5 кВт на 14%, а у двигуні потужністю 55 кВт - на 28% [1].
Це призводить до підвищення вартості двигуна потужністю 5,5 кВт на 6%, а двигуна потужністю 55 кВт - на 12%. Ці витрати окупаються за рахунок зменшення експлуатаційних витрат на електроенергію для двигунів потужністю 5,5 кВт за 1.5 року (t=1500 год), а для двигуна потужністю 55 кВт - за 10 місяців експлуатації (t=3000 год).
Іншим напрямом покращання енергетичних характеристик асинхронного електродвигуна є застосування зовнішніх відносно самого двигуна пристроїв таких як інвертори. Поруч із значною економією, яка може бути досягнута за рахунок регулювання частоти обертання при живленні від інверторів, суттєвий потенціал економії енергії криється у підвищенні ККД двигуна при малих навантаженнях на будь-якій частоті обертання.
Застосування даних пристроїв дозволяє забезпечити такий режим роботи електродвигуна, за якого споживання енергії з мережі живлення відповідає величині механічного навантаження на валу, що досягається зменшенням величини напруги живлення прикладеної до обмотки статора двигуна і підтриманням магнітного потоку, достатнього для створення необхідної величини обертального моменту за довільного навантаження та частоти обертання [76, 77].
Серед нових апаратних засобів, які використовуються для покращання енергетичних показників нерегульованого асинхронного електроприводу, слід відзначити так звані "м'які пускачі" - прості тиристорні пристрої, які дозволяють регулювати напругу на затискачах двигуна, і, відповідно, контролювати пуск і зупинку приводу, а також забезпечувати енергозбереження шляхом зменшення напруги на недовантаженому двигуні [1].
Заслуговує на увагу досвід підвищення енергетичних та пуско-регулювальних характеристик асинхронних електродвигунів за рахунок використання обмотки статора спеціальної конструкції з підключенням конденсаторів електричної ємності [78, 79]. Проте для двигунів, запропонованих фірмою Siemens, є характерним відносно велика витрата активних матеріалів (міді, електротехнічної сталі) на одиницю корисної потужності та знижені техніко-економічні показники, крім того за рахунок поскладнення технологічного процесу виготовлення обмоток даних двигунів збільшується їх вартість [80]. Спосіб покращання пуско-регулювальних характеристик двигуна, заснований на введенні у коло ротора додаткової ЕРС зі сторони статора, вимагає виготовлення статорної обмотки у вигляді двох паралельних віток з різним числом витків і у вітку з більшим числом витків включається конденсатор поздовжньої ємнісної компенсації. Перевагою даного способу є можливість плавно і широко регулювати частоту обертання асинхронного двигуна зміною величини напруги живлення, а недоліком - складність виготовлення обмоток.
У даній дисертаційній роботі запропоновано оригінальний спосіб внутрішньої ємнісної компенсації реактивної потужності асинхронних електродвигунів, застосування якого дозволяє покращити їх енергетичні показники зі збереженням простоти конструкції і високої надійності.
2.2. Порівняльна характеристика асинхронних двигунів з числом фаз 2, 3, 6
Необхідність порівняльної характеристики двигунів з різним числом фазних зон обмотки статора викликана суттєвою розбіжністю думок, зокрема, про ефективність дво- і трифазних двигунів. Так, в класичній теорії електричних машин при аналізах