Преимущества использования высокопроизводительных переменного тока двигателей

Лидерство в энергоэффективности: как двигатели переменного тока IE4 с бесщеточными двигателями постоянного тока снижают потребление электроэнергии и эксплуатационные расходы

Стандарты IE4 в разъяснениях: почему двигатели переменного тока с бесщеточными двигателями постоянного тока превосходят класс IE3 по эффективности на 5–10 %

Международные стандарты энергоэффективности (IE) устанавливают эталонные показатели эффективности электродвигателей с точки зрения энергопотребления. На вершине этой шкалы находится класс IE4, который в отраслевой среде часто называют «сверхвысокой энергоэффективностью». Переменные токи бесщёточные двигатели постоянного тока (AC BLDC) соответствуют этим строгим требованиям благодаря нескольким ключевым факторам. Во-первых, их электромагнитная конструкция должна быть оптимальной. Во-вторых, используются подшипники с низким коэффициентом трения, что играет решающую роль. И, наконец, нельзя забывать о качестве материалов для штампованных листов, применяемых по всей конструкции. Благодаря этим усовершенствованиям потери в магнитопроводе снижаются примерно на 15–25 % по сравнению со старыми моделями класса IE3. Потери в меди статора и ротора уменьшаются за счёт улучшенных конструкций обмоток. Потери в стали также значительно снижаются, поскольку производители теперь применяют сверхтонкие листы кремнистой стали, вырезанные лазером для достижения максимальной эффективности. Даже вентиляторы охлаждения способствуют повышению эффективности: их конструкция была пересмотрена с учётом аэродинамики, чтобы минимизировать потери на вентиляцию. Все эти усовершенствования обеспечивают приблизительно на 5–10 % более высокую эффективность при работе на полной нагрузке. Это означает, что для получения того же объёма выходной мощности требуется меньше киловатт-часов, что особенно важно в тех областях применения, где двигатели работают непрерывно изо дня в день.

Реальная экономия: промышленные эталонные показатели, демонстрирующие снижение энергопотребления на 18–25 % (кВт·ч/кВт) по сравнению со стандартными асинхронными двигателями

Практические испытания на заводах показывают, что постоянные токи переменного тока (AC BLDC) обычно позволяют сэкономить от 18 до 25 % энергии по сравнению с обычными асинхронными двигателями при выполнении аналогичных рабочих нагрузок. В частности, при использовании компрессоров промышленные предприятия зафиксировали снижение энергопотребления примерно на 25 % на единицу мощности. Почему? Эти двигатели обеспечивают почти идеальный коэффициент мощности, что минимизирует потери энергии; они отлично совместимы с частотными преобразователями, позволяя регулировать скорость в зависимости от реальных потребностей; кроме того, в роторе отсутствуют щётки, подверженные износу, как в традиционных двигателях. Возьмём стандартный двигатель мощностью 50 кВт, работающий 6000 часов в год при текущей стоимости электроэнергии около 0,12 долл. США за киловатт-час. Годовая экономия может составить примерно 9200 долларов США. Ещё более высокие результаты достигаются при применении таких двигателей в насосах и вентиляторах, где они сохраняют высокую эффективность даже при пониженных нагрузках. Их КПД остаётся выше 90 % большую часть времени, тогда как у старых асинхронных двигателей он резко падает при снижении нагрузки ниже 75 % номинальной мощности. Это принципиально важно для производственных процессов, требующих надёжной работы без неоправданных затрат на избыточное энергопотребление.

Высокий крутящий момент, низкие затраты на техническое обслуживание: эксплуатационная надёжность двигателей переменного тока с бесщёточным возбуждением (BLDC) при динамических нагрузках

Поддержание крутящего момента на низких скоростях: ключевое преимущество для дробилок, экструдеров и конвейеров

Переменного тока бесщеточные двигатели постоянного тока (AC BLDC) обеспечивают стабильный крутящий момент даже при почти остановленном вращении, что делает их особенно важными для оборудования, работающего с непредсказуемыми нагрузками. Например, дробилки продолжают прикладывать давление без остановки при встрече с трудно разрушаемыми или нестандартной формы материалами. То же самое относится и к экструдерам — они поддерживают стабильную производительность, несмотря на изменения толщины перерабатываемого материала. Ленточные конвейеры также способны справляться с изменяющимися весовыми нагрузками без заметного падения скорости или потери мощности. Обычные двигатели в подобных ситуациях зачастую требуют снижения номинальной мощности или принудительного охлаждения, тогда как AC BLDC-двигатели работают по иному принципу: они используют электронные системы для управления потоком электричества и магнитными полями в реальном времени, благодаря чему не перегреваются и не создают чрезмерной нагрузки на компоненты. Для предприятий, функционирующих в непрерывном режиме, где простои влекут за собой финансовые потери, такая надёжная работа означает меньшее количество незапланированных остановок и повышение общей производительности.

Преимущества бесщеточного исполнения: срок службы в 2 раза дольше и на 60 % меньше замен подшипников по сравнению с традиционными асинхронными электродвигателями

Когда в конструкции отсутствуют щётки, устраняются основные проблемы, характерные для щёточных систем: накопление угольной пыли и износ коллекторов. Такое изменение конструкции позволяет значительно увеличить срок службы этих машин до первого ремонта. Речь идёт примерно о 20 000 часов наработки между отказами — это почти вдвое больше, чем у большинства стандартных асинхронных двигателей переменного тока. Снижение числа искр также означает меньшее электромагнитное воздействие на подшипники. Кроме того, при более длительном сохранении чистоты внутренних частей масло медленнее теряет свои эксплуатационные свойства. Анализ журналов технического обслуживания на ведущих производственных предприятиях выявляет интересную тенденцию в эксплуатации двигателей переменного тока с бесщёточным управлением (AC BLDC): за пятилетний период количество замен подшипников в таких установках сокращается примерно на 60 % по сравнению с традиционными моделями. Все эти преимущества в совокупности приводят к сокращению запасов запасных частей на складах, снижению частоты выездов техников и увеличению интервалов между плановыми техническими осмотрами. Всё это в целом существенно снижает общие эксплуатационные расходы компаний, использующих такие системы.

Снижение затрат на уровне системы: меньшие габариты, упрощённая инфраструктура благодаря интеграции переменного тока, бесколлекторного двигателя постоянного тока (BLDC) и частотного преобразователя (VFD)

Снижение требований к сечению кабелей и коммутационной аппаратуре вследствие меньших токов при полной нагрузке

Постоянный ток с электронным коммутатором (BLDC) переменного тока потребляет примерно на 30 % меньше тока при полной нагрузке по сравнению с асинхронными двигателями аналогичного размера, что значительно упрощает проектирование электрической инфраструктуры как для новых установок, так и для модернизации существующих объектов. При снижении требований к току можно фактически уменьшить сечение кабелей, необходимых для выполнения задачи, сократив расход меди и других проводниковых материалов примерно на 15–22 % на каждый комплект оборудования. Влияние распространяется не только на кабели. Автоматические выключатели, пускатели и массивные системы шин также могут быть выбраны меньшего габарита. Например, стандартный двигатель переменного тока BLDC мощностью 50 кВт, как правило, требует защиты всего на 70 А, тогда как традиционные асинхронные двигатели нуждаются в защите около 100 А. Это означает, что габариты корпусов оборудования можно уменьшить примерно на четверть, а управление тепловыми режимами становится значительно проще. Особенно выделяется то, что интегрированные конструкции преобразователей частоты (ПЧ) позволяют исключить несколько вспомогательных компонентов — например, устройства плавного пуска, байпасные пускатели и даже те неприятные дроссельные клапаны. В результате площадь, занимаемая распределительным щитом, сокращается до 40 %, а вся схема электропроводки становится значительно проще. Все эти усовершенствования напрямую приводят к реальной экономии средств на первоначальные затраты и трудозатраты при монтаже — фактор, имеющий особое значение, особенно при работе в стеснённых условиях при модернизации действующих объектов (brownfield), где каждый квадратный сантиметр имеет значение.

Доказанная рентабельность инвестиций в основных областях применения: насосы, вентиляторы и компрессоры

Промышленные операторы получают быструю отдачу от внедрения переменного тока (AC) бесщёточных двигателей постоянного тока (BLDC) в высокопроизводительных системах перемещения жидкостей и воздуха. Реальные примеры применения последовательно подтверждают экономическое преимущество данной технологии за счёт измеримой экономии энергии и снижения затрат на техническое обслуживание.

Кейс по системам отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC): двигатели переменного тока (AC) класса эффективности IE4 с бесщёточными двигателями постоянного тока (BLDC) и адаптивными контроллерами обеспечивают снижение энергопотребления на 22 % в вентиляторных массивах

Когда коммерческие системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха модернизируют свои вентиляторные блоки, заменяя асинхронные двигатели на бесщёточные двигатели постоянного тока с классом энергоэффективности IE4 и адаптивными частотно-регулируемыми приводами (ЧРП), годовое энергопотребление, как правило, снижается примерно на 22 % по сравнению с устаревшими установками на базе асинхронных двигателей. Теперь система способна регулировать объём воздушного потока значительно точнее, поэтому больше не требуется применение неэффективных дроссельных заслонок. Кроме того, эти современные двигатели демонстрируют более высокую эффективность при частичных нагрузках, что обеспечивает стабильную производительность даже при неполной загрузке системы. Ещё одно важное преимущество — снижение тепловыделения таких двигателей. Меньше тепла означает увеличение срока службы компонентов, расположенных «по ходу потока». Теплообменники деградируют медленнее, фильтры служат дольше до необходимости замены, а изоляция воздуховодов сохраняется в рабочем состоянии в течение большего срока. Все эти факторы в совокупности позволяют сократить расходы на техническое обслуживание в долгосрочной перспективе, обеспечивая окупаемость первоначальных инвестиций несколькими способами в течение всего срока эксплуатации оборудования.

Пример из сферы водоснабжения и водоотведения: окупаемость модернизации насосов повышающего давления с переменным расходом за счёт установки бесщёточных двигателей постоянного тока (AC BLDC) — 3 года

Когда муниципальные водоканалы заменяют старые повысительные насосы на двигатели переменного тока с бесщеточными коллекторными двигателями (AC BLDC), они, как правило, окупают свои инвестиции в течение примерно трёх лет только за счёт экономии на счетах за электроэнергию. Имеются и другие преимущества. В таких системах количество поломок подшипников снижается примерно на 40 %, поскольку исчезает искрение щёток. Кроме того, расходы на инфраструктуру уменьшаются, поскольку эти двигатели потребляют меньший ток при работе на полной мощности. Системы водоснабжения, работающие при постоянно меняющихся расходах воды, как правило, обеспечивают наиболее быструю окупаемость инвестиций. Рассмотрим, например, жилые кварталы, где объём водопотребления колеблется в течение дня. Двигатели переменного тока с бесщеточными коллекторными двигателями сохраняют высокий КПД даже при работе в диапазоне от 30 до 50 % мощности. Это резко контрастирует с традиционными асинхронными двигателями, которые теряют значительную часть КПД в том же диапазоне рабочих нагрузок.