§ Обзор рынка
§ Основные характеристики
§ «Противостояние» синхронных и асинхронных электродвигателей
§ Выбор электродвигателя или генератора
§ Неисправности двигателей
Использование природных ресурсов немыслимо без преобразования одних видов энергии в другие. Устройства для такого преобразования энергии, выполняющие механические движения, называются энергетическими машинами. Например, при помощи тепловой машины преобразуют тепловую энергию, высвобождающуюся при сгорании топлива, в механическую энергию. Тот же термин применяется для устройств, которые преобразуют энергию с одними параметрами в энергию того же вида с другими параметрами. Так, гидравлической называют машину, которая служит для преобразования механической энергии поступательно перемещающегося потока жидкости в механическую энергию, передаваемую через вращающийся вал.
Значительная часть энергии, запасенной в природе в виде химической энергии, ядерной энергии, энергии движения рек и морей, энергии ветра и энергии излучения солнца, преобразуется в современном мире в электрическую энергию. Целесообразность такого преобразования связана с тем, что электрическую энергию с малыми затратами можно передать на большие расстояния, распределить между потребителями и снова преобразовать в механическую, тепловую или химическую энергию.
Машины, совершающие преобразование механической энергии в электрическую энергию или обратное преобразование, называются электрическими машинами.
Электрическая машина, предназначенная для преобразования механической энергии в электрическую энергию, носит название «генератор». Электрическая машина, предназначенная для обратного преобразования, называется «двигателем». Электрические машины обратимы. При помощи любой электрической машины может совершаться электромеханическое преобразование в двух возможных направлениях. Если к подвижной части электрической машины подводится механическая энергия, она работает в режиме генератора электрической энергии. Если к машине подводится электрическая энергия, ее подвижная часть совершает механическую работу.
Электрическая машина представляет собой электромагнитную систему, которая состоит из взаимосвязанных магнитных и электрических цепей. Магнитная цепь включает неподвижный и подвижный магнитопроводы из магнитного материала и немагнитный воздушный зазор, отделяющий их друг от друга. Электрические цепи в виде двух или нескольких обмоток могут перемещаться одна относительно другой совместно с магнитопроводами, на которых они размещены.
Электромеханическое преобразование энергии в электрических машинах основано на явлении электромагнитной индукции. Электрические машины, действие которых основано на законе электромагнитной индукции, называются индуктивными.
Наряду с индуктивными электрическими машинами существуют так называемые емкостные электрические машины, в которых электромеханическое преобразование энергии основано на явлении электростатической индукции и связано с периодическим изменением электрического поля в конденсаторе с взаимно перемещающимися электродами. Однако такие машины по своим массогабаритным и стоимостным показателям не могут конкурировать с индуктивными машинами и в промышленном электромеханическом преобразовании энергии не используются.
Электрическая машина как преобразователь энергии является важнейшим элементом любой энергетической или промышленной установки. Она находит широкое применение в качестве генератора, двигателя или преобразователя на электрических станциях, промышленных и сельскохозяйственных объектах, в железнодорожном, автомобильном и электрифицированном городском транспорте, в авиации. Все более расширяется применение электрических машин в системах автоматического управления и регулирования. Электрические машины могут быть рассчитаны для работы с сетью переменного или постоянного тока. В соответствии с этим они разделяются на машины переменного тока и машины постоянного тока.
В зависимости от сферы промышленности и типа оборудования и будет определяться вид используемого электродвигателя. Для разных видов оборудования требуется определенный вид двигателя. Например, для приводов вентиляторов и насосов нужен один тип электродвигателя, а для прокатного оборудования или ленточных конвейеров – другой.
Правильный выбор и эксплуатация электродвигателей позволяют повысить производительность и снизить затраты на обслуживание и ремонт оборудования[1].
§ Обзор рынка
Мировой рынок двигателей переменного тока сегментирован по типу и применению. По типу рынок делится на синхронные двигатели и асинхронные двигатели. Двигатель переменного тока обычно состоит из двух основных частей: неподвижного статора с катушками, на которые подается переменный ток для создания вращающегося магнитного поля, и вращающегося ротора с обмоткой. Предполагается, что разработка энергоэффективных систем, призванных смягчить растущую обеспокоенность по поводу потребления энергии и выбросов углекислого газа, будет стимулировать мировой рынок двигателей переменного тока. Компании сосредотачивают внимание на исследовательской деятельности, чтобы обеспечить экологически чистые решения для своих технологий и процессов по мере роста населения мира, усугубления экологических проблем и возникновения нехватки энергии.
Ожидается, что мировой рынок асинхронных двигателей будет расти на 5% в год в период с 2020 по 2029 год. Ожидается, что к 2029 году он превысит 20.167 миллиарда долларов США по сравнению с 14.42 миллиарда долларов США в 2020 году. Асинхронные двигатели по применению делится на жилой, промышленный, коммерческий, транспортный и другие. Ряд факторов, таких как растущий спрос на доступные, энергоэффективные двигатели и развитие производства и промышленных секторов в развивающихся странах стимулируют рынок асинхронных двигателей[2].
Во многих промышленных применениях, включая насосы, компрессоры, конвейеры, воздуходувки и вентиляторы, используются трехфазные асинхронные двигатели. Благодаря своей высокой эффективности и надежности эти двигатели используются в тяжелых отраслях, включая сталелитейную, цементную и горнодобывающую. Вентиляторы, насосы и воздушные компрессоры часто приводятся в действие асинхронными двигателями в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC). Эти двигатели обеспечивают надежную работу и минимальный уровень шума при работе в широком диапазоне температур.
Прогнозируется, что на рынке асинхронных двигателей будет доминировать Азиатско-Тихоокеанский регион (включает: Китай, Японию, Южную Корею, Индию, Австралию, АСЕАН и остальные страны).
Спрос на асинхронные двигатели увеличился в связи с быстрым ростом количества производственных и промышленных объектов. В вентиляторах, воздуходувках, станках, компрессорах, насосах, конвейерах, бульдозерах и т. д. используются асинхронные двигатели. Использование асинхронного двигателя необходимо для стабильной и надежной работы растущего числа железных дорог, метро, сверхскоростных поездов и т. д. Асинхронные двигатели используются для различных процессов в сельском хозяйстве. Лифты и эскалаторы пользуются большим спросом из-за быстрой урбанизации, которая также увеличила спрос на асинхронные двигатели.
С учетом современных тенденций в энергоэффективности наиболее используемым типом двигателя на сегодняшний день является асинхронный двигатель (АД), хотя в настоящее время АД уже достигли предела своего конструктивного и технологического совершенствования. Дальнейшее улучшение КПД этих двигателей возможно лишь экстенсивными методами: использование большего количества меди и стали, а также применение медной беличьей клетки ротора. Основным недостатком таких решений является увеличение размеров двигателя и его стоимости. Более того, использование медной беличьей клетки ротора приводит к значительному усложнению и удорожанию технологии производства из-за высокой температуры плавления меди.
Если говорить о российских объемах рынка, то в 2023 году в России произведено приблизительно 1,17 млн электродвигателей. Для сравнения, годом ранее объем выпуска составлял 1,24 млн штук. Таким образом, зафиксировано падение на уровне 5,4%. Об этом говорит статистика BusinesStat, опубликованная 7 июня 2024 года[3].
В 2019 году в России, по оценкам, было изготовлено около 1,45 млн электродвигателей. Год спустя объем производства сократился на 6,5% — до 1,36 млн штук. В 2021-м зафиксирован рост на 2,8% — до 1,39 млн единиц. А в 2022-м последовал очередной спад: выпущено примерно 1,24 млн электродвигателей, что на 11,1% меньше в годовом исчислении.
§ Основные характеристики
Синхронной называют машину переменного тока, в которой скорость вращения ротора равна скорости вращения магнитного поля в ее рабочем зазоре. Синхронная машина может быть использована в качестве генератора напряжения стабильной частоты (турбогенератор, гидрогенератор и дизель- генератор), первичным двигателем в которых используются паровая или газовая турбина, или дизель. Часто синхронную машину используют в качестве двигателя с неизменной скоростью вращения ротора, приводящего во вращение крупные вентиляторы, компрессоры, центробежные насосы и генераторы постоянного тока и т.д. Кроме того, синхронную машину используют как компенсатор для повышения коэффициента мощности питающей электрической сети, а также для регулирования ее реактивной составляющей мощности.
Асинхронной машиной называют электромеханический преобразователь, в котором возникновение момента на валу ротора возможно лишь при различных скоростях вращения магнитного поля и ротора. Различают одно-, двух-, трех- и многофазные асинхронные машины. Трехфазные асинхронные машины с короткозамкнутым ротором благодаря своей технологичности, надежности, низкой стоимости и большому сроку службы составляют основную долю мирового парка электрических машин[4].
За последние 50 лет конструкция и технология производства асинхронных электродвигателей была настолько хорошо отработана и оптимизирована, что какие-либо дальнейшие усовершенствования или улучшения их электрических параметров, даже с использованием современных программно-вычислительных средств, уже не позволяют рассчитывать на ощутимое сокращение столь большого отставания от современных синхронных электродвигателей по удельным силовым характеристикам.
Рассмотрим основные различия между синхронными и асинхронными электродвигателями, а также их преимущества и недостатки.
1. Принцип работы асинхронного электродвигателя
Основными элементами конструкции асинхронной машины являются статор и ротор (рис. 1.1).
Асинхронные машины получили наибольшее распространение как двигатели. Это основной двигатель, применяемый в промышленности, сельском хозяйстве и в быту. Только асинхронных двигателей единых серий мощностью от 0,06 до 400 кВт в нашей стране ежегодно выпускается несколько миллионов.
Электротехническая промышленность выпускает асинхронные двигатели в большом диапазоне мощностей. Предельная мощность асинхронных двигателей – несколько десятков мегаватт. В индикаторных системах применяются асинхронные двигатели мощностью от долей ватта до сотен ватт. Частота вращения двигателей общего назначения – от 500 до 3000 об/мин.
80 % всех производимых промышленностью электромоторов являются асинхронными, благодаря многочисленным преимуществам такого типа привода. Он[5]:
· надежен;
· недорог в изготовлении;
· прост в обслуживании;
· не требует больших затрат на эксплуатацию;
· просто регулируется посредством частного преобразователя
Тем не менее, выбирая электромотор, следует помнить о таких его недостатках, как:
· ограничение количества оборотов частотой сети (при частоте 3-фазной сети 50 Гц, максимальная частота вращения составляет 3000 об/минуту);
· зависимость вращающего момента от напряжения в сети;
· высокая величина пускового тока;
· пусковой момент меньше максимального вращающего момента.
2. Принцип работы синхронного электродвигателя
Конструкция статора синхронной машины, называемого также якорем, практически ничем не отличается от конструкции статора асинхронной машины. Основное отличие синхронной машины заключается в устройстве ротора (индуктора), который представляет собой по существу явнополюсный или неявнополюсный электромагнит (рис. 2.1, а, б), обмотка которого через контактные кольца и щетки питается от внешнего источника постоянного тока. В качестве индуктора в синхронной машине может использоваться постоянный магнит.
Явнополюсный ротор (рис. 2.1, а) обычно используется в машинах с четырьмя и большим числом пар полюсов. Обмотка возбуждения выполняется в этом случае в виде цилиндрических катушек прямоугольного сечения, которые размещаются на сердечниках полюсов и укрепляются при помощи полюсных наконечников. Ротор, сердечники полюсов и полюсные наконечники изготовляются из листовой стали. Двухполюсные и четырехполюсные машины большой мощности, работающие при скорости вращения ротора 1500 и 3000 об/мин, изготовляются, как правило, с неявнополюсным ротором (рис. 2.1, б). Применение в них явнополюсного ротора невозможно по условиям обеспечения необходимой механической прочности крепления полюсов и обмотки возбуждения. Обмотка возбуждения в такой машине размещается в пазах сердечника ротора, выполненного из массивной стальной поковки, и укрепляется в них немагнитными металлическими клиньями. В синхронных двигателях с явнополюсным ротором в полюсных наконечниках размещаются стержни беличьей клетки, выполненной из материала с повышенным удельным сопротивлением (латунь и др.). Эта клетка служит в качестве пусковой обмотки. Такая же беличья клетка, состоящая из медных стержней, применяется в некоторых синхронных генераторах, она называется успокоительной обмоткой, или демпферной, т.к. обеспечивает быстрое затухание колебаний ротора, возникающих при некоторых режимах работы синхронной машины. В последнее время синхронные двигатели часто выполняются без пусковой обмотки, но с массивными полюсами. В этих полюсах при пуске возникают вихревые токи, которые, взаимодействуя с вращающимся магнитным полем, создают пусковой момет. Неявнополюсные машины также выполняются без успокоительной обмотки, роль которой выполняют вихревые токи, замыкающиеся в массивном роторе[6].
Хотя асинхронные двигатели считаются более надежными и дешевыми, их синхронные «собратья» имеют некоторые преимущества и широко применяются в различных областях промышленности. К отличительным характеристикам синхронного электродвигателя можно отнести[7]:
· Работу при высоком значении коэффициента мощности.
· Высокий КПД по сравнению с асинхронным устройством той же мощности.
· Сохранение нагрузочной способности даже при снижении напряжения в сети.
· Неизменность частоты вращения независимо от механической нагрузки на валу (в допустимых диапазонах)
Синхронным двигателям также присущи некоторые недостатки:
· Достаточно сложная конструкция, делающая их производство дороже.
· Необходимость источника постоянного тока (возбудителя или выпрямителя).
· Сложность пуска.
· Необходимость корректировать угловую частоту вращения путем изменения частоты питающего напряжения.
Однако в некоторых случаях использование синхронных двигателей предпочтительнее:
· Для улучшения коэффициента мощности.
· В длительных технологических процессах, где нет необходимости в частых запусках и остановках.
Таким образом, «плюсы» двигателей такого типа значительно превосходят «минусы», поэтому на данный момент они высоко востребованы.
§ Выбор электродвигателя или генератора
В итоге выбор между синхронным и асинхронным электродвигателем зависит от конкретных требований и условий эксплуатации. Во многом зависит от общей мощности всего подключаемого оборудования и его дальнейших условий эксплуатации.
Поэтому при выборе модели генератора необходимо обращать внимание на следующие аспекты[8]:
· Качество электрического тока. Синхронные модели обеспечивают более высокое качество генерируемого электротока, при этом выходное напряжение остается в одной и той же амплитуде, что, конечно же, весьма высоко ценится. Но стоит понимать, что в момент запуска некоторой бытовой техники значительно увеличивается кратковременная нагрузка и порой превышает во много раз номинальную мощность. Синхронные установки очень плохо переносят подобные пиковые нагрузки, поэтому требуют более тщательного выбора мощности с учетом необходимого запаса. Асинхронные модели, наоборот, легко переносят кратковременные повышенные перегрузки, но выдают электроэнергию менее высокого качества.
· Сфера использования. Даже тот факт, что асинхронные генераторы не могут похвастаться высоким качеством выдаваемой электроэнергии, но это не мешает тому, что они успешно используются в качестве аварийного источника электропитания на дачах, загородных домах, строительных площадках, отлично подходят для подключения разного инструмента. Но если планируется применение оборудования, чувствительного к качеству электроэнергии, то в этом случае возможно подключение исключительно синхронных генераторов.
· Цена. Асинхронные модели отличаются более доступной стоимостью по сравнению с синхронными.
· Простота обслуживания. Асинхронные генераторы проще в техническом обслуживании, менее чувствительны к короткому замыканию.
А при выборе электродвигателя необходимо руководствоваться несколькими следующими критериями[9]:
· вид электрического тока, питающего оборудование;
· мощность электродвигателя;
· режим работы;
· климатические условия и другие внешние факторы.
Синхронные двигатели – оптимальное решение для оборудования с постоянной скоростью работы: генераторов постоянного тока, компрессоров, насосов и др.
Асинхронные электродвигатели удовлетворяют требованиям разных промышленных применений:
· Для лифтов и другого оборудования, требующего ступенчатого изменения скорости, выпускаются многоскоростные асинхронные приводы.
· При эксплуатации лебедок и металлообрабатывающих станков используются электродвигатели с электромагнитной тормозной системой. Это обусловлено необходимостью остановки привода и фиксации вала при перебоях напряжения или его исчезновения.
· В процессах с пульсирующей нагрузкой или при повторно-кратковременных режимах могут использоваться асинхронные электродвигатели с повышенными параметрами скольжения.
Электродвигатели постоянного тока сегодня применяются не так часто, как раньше. Их практически вытеснили асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором.
Главный недостаток электродвигателей постоянного тока – возможность эксплуатации исключительно при наличии источника постоянного тока или преобразователя переменного напряжения в постоянный ток. В современном промышленном производстве обеспечение данного условия требует дополнительных финансовых затрат. Тем не менее, при существенных недостатках этот тип двигателей отличается высоким пусковым моментом и стабильной работой в условиях больших перегрузок. Приводы данного типа чаще всего применяются в металлургии и станкостроении, устанавливаются на электротранспорт.
§ Неисправности двигателей
В промышленности электродвигатели используются повсеместно, они становятся технически все сложнее, что часто может осложнять поддержание их работы на пике эффективности. Важно помнить, что причины неисправностей электродвигателей и приводов не ограничиваются одной областью специализации: они могут быть как механического, так и электрического характера. И только нужные знания разделяют дорогостоящий простой и продление срока службы.
Наиболее частые неисправности электродвигателей — повреждения изоляции обмоток и износ подшипников, возникающие по множеству разных причин. Поэтому важно найти надежного поставщика секций и заказывать качественную обмотку.
Rem&Coil производит любые виды секций, а также стержни статорных обмоток для электродвигателей и генераторов переменного и постоянного тока. Для нас не имеет значения, как давно был произведен ваш двигатель. Благодаря идеальной геометрии укладка секций займет 1-2 дня, Для завода важно высокое качество материалов, поэтому используется только качественная медь не ниже марки М1 по ГОСТ 859, а также изоляция классов нагревостойкости F, H, C ведущих мировых производителей.
Санкт-Петербургские инженеры готовы решить любую задачу клиентов. Самостоятельно модернизируют и создают новое оборудование, чтобы вы получали именно то, что нужно вам. Они готовы проконсультировать вас по любым вопросам, связанным с обмоткой статора.
Специалисты Rem&Coil готовы приехать в любую точку мира, чтобы помочь решить вашу техническую задачу, связанную с секциями. Мы предлагаем бесплатный тестовый вариант секций, чтобы клиенты могли ближе познакомиться с Rem&Coil и принять решение о сотрудничестве.
Стоит помнить, что качество продукции зависит не только от технологии, но и от используемых материалов. Поэтому завод сотрудничает только с лучшими поставщиками провода и изоляции. Вся продукция превосходит международные стандарты качества и обеспечивает надежную работу электродвигателя на долгие годы. Испытания в лаборатории Санкт-Петербургского Политехнического университета показали, что ресурс наших секций составляет 75 лет[10].
В заключении стоит отметить, что в каждой сфере применяются разные типы двигателей, поскольку различные отрасли требуют специфических характеристик и свойств от электропривода. Например, в промышленности используются асинхронные двигатели, которые отличаются простотой и надёжностью, а в энергетике и авиации применяются синхронные двигатели, обеспечивающие высокую точность и эффективность.
В промышленности чаще используются асинхронные двигатели, так как они более простые, надёжные и универсальные. Однако синхронные двигатели также находят применение в определённых отраслях, где требуется высокая точность скорости и эффективность, например, в энергетике, промышленных установках и морском транспорте.
§ Список литературы
Учебное пособие
1. Задоя Николай Иванович «ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ Часть 2. Асинхронные машины переменного тока. Синхронные машины переменного тока». Учебное пособие для бакалавров направления - «Электроэнергетика и электротехника». Министерство образования и науки Российской Федерации Рубцовский индустриальный институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова»
Интернет-ресурсы:
2. https://electromoment.com/ru/stats/which_motor_is_the_best_syncronous_or_asynchronous/
3. https://cont.ws/@talatis/923674
4. https://dgu.expert/statii/chto-luchshe-sinhronnyj-ili-asinhronnyj-generator
5. https://www.nporusgidro.com/blog/elektrodvigateli/
6. https://elar.urfu.ru/bitstream/10995/35324/1/epp-2015-06.pdf
8. https://tehprivod.su/poleznaya-informatsiya/vybor-elektrodvigatelya.html
Сноски
[1] Задоя Н.И. «ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ Часть 2. Асинхронные машины переменного тока. Синхронные машины переменного тока». Учебное пособие для бакалавров направления - «Электроэнергетика и электротехника». Министерство образования и науки Российской Федерации Рубцовский индустриальный институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова»
[2] https://exactitudeconsultancy.com/ru/blog/2023/05/06/induction-motor-market-growth/
[3] https://www.tadviser.ru/index.php/%D0%A1%D1%82%D0%B0%D1%82%D1%8C%D1%8F:%D0%AD%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%B4%D0%B2%D0%B8%D0%B3%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D0%B8_%28%D1%80%D1%8B%D0%BD%D0%BE%D0%BA_%D0%A0%D0%BE%D1%81%D1%81%D0%B8%D0%B8%29
[4] Задоя Н.И. «ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ Часть 2. Асинхронные машины переменного тока. Синхронные машины переменного тока». Учебное пособие для бакалавров направления - «Электроэнергетика и электротехника». Министерство образования и науки Российской Федерации Рубцовский индустриальный институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова»
[5] https://www.szemo.ru/press-tsentr/article/stator-asinkhronnogo-dvigatelya-ustroystvo-i-printsip-raboty/
[6] Задоя Н.И. «ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ Часть 2. Асинхронные машины переменного тока. Синхронные машины переменного тока». Учебное пособие для бакалавров направления - «Электроэнергетика и электротехника». Министерство образования и науки Российской Федерации Рубцовский индустриальный институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова»
[7] https://www.szemo.ru/press-tsentr/article/ustroystvo-i-printsip-deystviya-sinkhronnogo-dvigatelya/
[8] https://dgu.expert/statii/chto-luchshe-sinhronnyj-ili-asinhronnyj-generator
[9] https://tehprivod.su/poleznaya-informatsiya/vybor-elektrodvigatelya.html
[10] Ресурс 75 лет в условиях выполнения всех регламентных работ с электрической машиной в соответствии с рекомендациями заводов-изготовителей.