Повышение энергоэффективности привода станков-качалок
В структуре себестоимости российской промышленной продукции существенную долю сегодня составляют затраты на электроэнергию. В настоящее время известны два основных способа повышения энергоэффективности электроприводов. Во-первых, это регулирование режима работы привода при помощи преобразователей частоты. Во-вторых, повышение КПД электродвигателя посредством увеличения массы меди в обмотке статора и применения постоянных магнитов на роторе.
Однако оба перечисленных способа предполагают существенное повышение стоимости электропривода и, соответственно, удорожание агрегата, в котором он эксплуатируется.
В настоящей статье речь пойдет о третьем варианте повышения энергоэффективности станка-качалки (СК) – использовании асинхронных электродвигателей (АД) с совмещенными обмотками серии АДЭМ разработки ООО «АСиПП». Одновременное применение в обмотке двигателя двух систем токов позволяет принципиально оптимизировать профиль механической характеристики двигателя, тем самым обеспечив его более высокую энергоэффективность и более стабильную работу во всем диапазоне скоростей вращения.
02.10.2015 Инженерная практика №10/2015
Стрункин Сергей Иванович Первый заместитель генерального директора по производству – главный инженер ПАО «Оренбургнефть»
Попов Вячеслав Игоревич Главный инженер ОАО «Уралэлектро»
Степанов Юрий Георгиевич Начальник отдела управления проектами новых технологий ПАО «Оренбургнефть»
Самотуев Антон Сергеевич Ведущий инженер отдела по повышению энергосбережения и энергоэффективности ПАО «Оренбургнефть»
Традиционный АД можно представить как три однофазных электродвигателя в единой электромагнитной системе AN, BN, CN, сдвинутые по фазе на 120° (схема «звезда») и включаемые непосредственно в трехфазную сеть (рис. 1).
Комплекс трех однофазных неустойчивых двигателей делает неустойчивым и трехфазный АД на 95% скоростного диапазона. Следствием этого становится неоптимальный профиль механической характеристики с малым пусковым крутящим моментом (М) и зонами неустойчивой работы (рис. 2).
В свою очередь малый пусковой момент вынуждает конструкторов и специалистов по эксплуатации оборудования завышать установочную мощность АД в 1,52 раза, а в случаях тяжелого пуска – в 3-4 раза. Сразу после пуска такой электродвигатель попадает в зону низких КПД и коэффициента мощности. Это значит, что по отношению к выполняемой работе такой двигатель потребляет неоправданно много электроэнергии. Электродвигатель АДЭМ с совмещенными обмотками можно представить как три двухфазных электродвигателя в единой электромагнитной системе, включаемой без фазосдвигающих устройств непосредственно в трехфазную сеть. Комплекс трех устойчивых двухфазных двигателей делает АДЭМ устойчивым во всем скоростном диапазоне, следствием чего становится оптимальный профиль механической характеристики без зон неустойчивой работы (рис. 4).
У АДЭМ при перегрузке частота вращения вала уменьшается, но при этом ток практически не возрастает. То же происходит и при внезапном падении напряжения в цепи. Двигатель продолжает экономично работать с меньшими оборотами, не перегреваясь. После восстановления напряжения питания до номинального уровня АДЭМ самозапускаются и выходят на расчетный режим работы. Это идеальное качество при «тяжелом пуске» с большим временем переходного процесса, когда требуется «раскрутить» нагрузку с моментом сопротивления, в три и более раз превышающим номинальный момент.
ДВИГАТЕЛИ СЕРИИ АДЭМ
В 2014 году в ПАО «Оренбургнефть» и ООО «Бугурусланнефть» – подразделениях, входящих в состав ОАО «НК «Роснефть», – успешно завершились опытно-промышленные испытания энергосберегающих асинхронных электродвигателей с совмещенными обмотками серии АДЭМ в составе приводов СК производства Медногорского электротехнического завода «Уралэлектро». Завод уже давно занимается созданием и внедрением энергоэффективных технологий, а освоение новой серии электродвигателей АДЭМ и модификаций на их основе ведет по лицензии ООО «АСиПП».
Основная цель проекта – снижение потребления электроэнергии парком СК за счет внедрения двигателей АДЭМ, удовлетворяющих требованиям международного стандарта энергоэффективности IE2.
Уникальность электродвигателей АДЭМ заключается в том, что, применив соответствующую схему подключения трехфазной нагрузки к трехфазной сети (звезда или треугольник), можно получить две системы токов. Иными словами, к трехфазной сети можно подключить электродвигатель уже не с трехфазной, а с шестифазной обмоткой. При этом часть обмотки должна быть включена в звезду, а часть – в треугольник, тогда результирующие векторы полюсов одноименных фаз звезды и треугольника будут образовывать между собой угол в 30 электрических градусов.
Совмещение двух схем в одной обмотке позволяет улучшить форму поля в рабочем зазоре двигателя и, как следствие, существенно повысить основные характеристики двигателя.
Поле в рабочем зазоре стандартного двигателя лишь условно можно назвать синусоидальным, на самом деле оно ступенчатое (рис. 5а). В результате этого в двигателе возникают гармоники, вибрации и тормозящие моменты, которые оказывают отрицательное воздействие на двигатель и ухудшают его характеристики. Поэтому стандартный асинхронный двигатель обладает приемлемыми характеристиками только в режиме номинальной нагрузки. При нагрузке, отличной от номинальной характеристики стандартного двигателя, резко снижаются коэффициент мощности и КПД.
В свою очередь значения энергетических показателей (КПД и cosφ) электродвигателей АДЭМ оказываются более высокими не только в номинальном режиме, но и практически во всем диапазоне нагрузки: от 25 до 125% (рис. 5б). Таким образом, двигатель серии АДЭМ как в недогруженном режиме работы, так и в режиме перегрузки будет потреблять меньше энергии по сравнению со стандартным двигателем.
Кроме того, двигатели с совмещенными обмотками отличаются от стандартных лучшими показателями работы при отклонениях напряжения сети. У стандартного двигателя в этом случае происходит значительное ухудшение энергетических характеристик, а у двигателя с совмещенными обмотками изменения характеристик практически не происходит. А поскольку все изменения КПД, cosφ и напряжения во время работы приводят к увеличению рабочего тока двигателя, то сила рабочего тока двигателя с совмещенными обмотками во всем диапазоне нагрузок оказывается меньше аналогичного показателя стандартного двигателя.
При работе с регулярно меняющейся или неноминальной нагрузкой, перепадах питающего напряжения двигатели новой конструкции позволяют снизить потребление электроэнергии на 5-7%. Нагрев таких двигателей существенно ниже, а срок службы – значительно больше. Кроме того, при питании двигателей с совмещенными обмотками от частотного регулятора, они обеспечивают характеристики, недостижимые для других серий двигателей.
На рис. 6-8 представлены основные технические характеристики стандартных электродвигателей и электродвигателей с совмещенными обмотками. Приведенные данные подтверждены результатами испытаний в НИПТИЭМ, г. Владимир.
Двигатели серии АДЭМ по установочно-присоединительным размерам полностью соответствуют ГОСТ Р 51689, по классу эффективности – IE2 по IEC 60034-30.
ПРОМЫСЛОВЫЕ ИСПЫТАНИЯ
В апреле 2014 года специалисты ОАО «Уралэлектро», ПАО «Оренбургнефть» и ООО «Бугурусланнефть» совместно разработали программу и провели промышленные испытания энергоэффективных электродвигателей АДЭМ 200 L6, созданных для привода балансирного механизма штангового насоса.
Опытная эксплуатация была проведена на трех месторождениях ООО «Бугурусланнефть» в составе приводов СК. Электродвигатели АДЭМ устанавливались взамен стандартных. Опытно-промышленные испытания прошли успешно.
Среднее снижение энергопотребления по отношению к эксплуатации УШГН с ранее применявшимся стандартным асинхронным электродвигателям составило 17,9%. И, хотя эта величина не характеризует энергоэффективность новых двигателей «в чистом виде», а отражает синергетический эффект, она не может не заинтересовать.
Данные результаты были получены при 15%-ной загрузке электродвигателя, что подтверждает эффективность электродвигателей серии АДЭМ в диапазоне нагрузок от 15 до 100%.
На примере проведенной опытной эксплуатации электродвигателей серии АДЭМ в составе нефтедобывающего оборудования был показан один из способов снижения затрат на добычу нефти путем лишь замены стандартного электродвигателя на электродвигатель серии АДЭМ. Учитывая же его перегрузочную способность и возможность эксплуатации в тяжелых режимах работы, в дальнейшем, вероятно, можно продолжить оптимизацию мощности нефтедобывающего оборудования, повысив экономию электроэнергии при добыче нефти.
На основании полученных результатов в ПАО «Оренбургнефть» принято решение о постепенной замене традиционных асинхронных электродвигателей на двигатели серии АДЭМ в объемах ежегодных закупок двигателей для частотно-регулируемого фонда (рис. 9).
