автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Энергосберегающий электропривод на основе асинхронного двигателя с индивидуальной компенсацией реактивной мощности

КО НТРОЛЬН*-"' ЭКЗЕМПЛЯ

4848530

МУГАЛИМОВ РИФ ГАРИФОВИЧ

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД НА ОСНОВЕ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С ИНДИВИДУАЛЬНОЙ КОМПЕНСАЦИЕЙ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ

Специальность 05.09.03 -Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

2 ИЮН 2011

Магнитогорск - 2011

4848530

Работа выполнена в ГОУ ВПО университет им. Г.И. Носова»

«Магнитогорский государственный технический

Научный консультант - доктор технических наук, профессор

Карандаев Александр Сергеевич

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор

Беспалов Виктор Яковлевич

- доктор технических наук, профессор Микитченко Анатолий Яковлевич

- доктор технических наук, профессор Радионов Андрей Александрович

Ведущая организация - ОАО «Магнитогорский металлургический

комбинат»

Защита диссертации состоится «01» июля 2011 года в 15 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.111.04 при Магнитогорском государственном техническом университете им. Г.И. Носова по адресу: 455000, г. Магнитогорск, пр. Ленина, д. 38, ауд. 227. Ч

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью) просим направлять по адресу: 455000, г. Магнитогорск, пр. Ленина, д. 38, Ученый совет МГТУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «МГТУ», автореферат размещен на сайте http://www.magtu.ru

Автореферат разослан « 12» мая 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.111.04 кандидат технических наук, доцент

К.Э. Одинцов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Эффективное использование энергоресурсов и в первую очередь электрической энергии является одним из приоритетных направлений развития современной мировой экономики. В Российской Федерации наблюдаются непрерывный рост потребления невосполнимых углеводородных энергоресурсов и увеличение стоимости электрической энергии, производимой на их основе. Только за период 2000-2010 г.г. стоимость электрической энергии возросла в четыре раза. Это обостряет проблему энергосбережения, поскольку доля стоимости электроэнергии в стоимости товарного продукта возрастает, что ведет к снижению конкурентной способности товарного продукта и темпа экономического развития страны.

На эффективное электропотребление направлены Федеральный закон 261-ФЗ от 23.11.2009 г. «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности...» и Федеральная целевая программа Энергосбережения до 2020 г, предусматривающая при росте объемов производства товарной продукции снижение энергоемкости до 20%.

Во всех отраслях промышленности, в сельском хозяйстве для вращения рабочих машин и механизмов используются электроприводы, созданные на основе применения традиционных асинхронных двигателей (ТАД), номинальным напряжением 220/380 В. Эти электродвигатели являются самыми массовыми потребителями электрической энергии. По экспертным оценкам на предприятиях РФ используются от 120 до 150 млн. единиц ТАД. Повсеместное применение ТАД обусловлено их высокой надежностью, сравнительно низкой стоимостью и приемлемыми эксплуатационными расходами. До 70% ТАД сосредоточено в энергоемких отраслях: горно-, нефте-, газодобывающей, металлургической, строительной и жилищно-коммунальном хозяйстве. Только в системах жизнеобеспечения городов России асинхронные электроприводы насосных агрегатов потребляют в год до 130 млрд. кВт-час электрической энергии. Например, на каждом крупном металлургическом предприятии, таком как ОАО «ММК» (г. Магнитогорск), ОАО «HJIMK» (г. Липецк), ОАО «Северсталь» (г. Череповец), установленная мощность ТАД напряжением 220/380, 380/660 В, мощностью от 1 до 100 кВт составляет от 70 до 120 МВт, в том числе, 30-40 МВт - электроприводы турбомеханизмов.

Асинхронными электроприводами потребляется 55-60% вырабатываемой в РФ электрической энергии. Главными показателями энергоэффективности электроприводов на основе ТАД являются: потребляемый из электросети ток (1^, электрический КПД (г|э), коэффициент мощности (coscp), энергетический КПД (т1эн), расход электроэнергии на единицу выпускаемой продукции (wY - удельный расход). Главным недостатком ТАД является невысокий coscp, который не превышает 0,8-0,92. Для ТАД величина потребляемого тока на 2540% определяется индуктивной реактивной и на 60-75% активной составляющими. Реактивная составляющая тока возбуждает вращающееся магнитное

поле двигателя. Энергия магнитного поля в механическую энергию не преобразуется. В наилучших режимах работы ТАД, при электрическом КПД 80-92% и cos<p=0,8-0,9, энергетический КПД составляет 64-83%. При неоптимальных нагрузках энергетический КПД снижается до 52-70%. Реактивный ток создает в системе электроснабжения и электроприводе падение напряжения, вызывает непроизводительные потери активной мощности. Даже при наилучших режимах работы ТАД теряется 9-16% (0,09-0,16 o.e.) электрической энергии из-за сравнительно низкого coscp, что снижает энергоэффективность электропривода.

Учитывая масштабы применения ТАД, их средний коэффициент загрузки (К3=0,75), коэффициент использования технологического оборудования (Ки=0,6), коэффициент потерь из-за реактивных токов (Kq=0,09-0,16), только по трем крупнейшим металлургическим комбинатам РФ, установленная мощность двигателей которых около 210-360 МВт, потери электрической энергии в год составляют 75-128 млн. кВт-час.

Одной из причин невысокого энергетического КПД ТАД является их конструктивная особенность - наличие электротехнической стали и катушек индуктивности обмоток электрической машины, а также проектирование и изготовление их по критерию минимума затрат, выгодной только для производителя. При этом производитель полагает, что компенсацию реактивной мощности ТАД потребитель осуществит самостоятельно за счет эксплуатационных затрат. Зарубежные фирмы (AEG, ABB) производят энергосберегающие ТАД, увеличивая массу активных материалов - меди и электротехнической стали. Однако это ведет к существенному удорожанию двигателя. Из их опыта известно, что увеличение КПД на несколько процентов ведет к увеличению меди на 20-25%, алюминия на 10-15%, электротехнической стали на 30-35%. Увеличение электрического КПД ТАД сопровождается некоторым снижением его номинального cos<p. В конечном итоге энергетический КПД увеличивается незначительно или сохраняется на первоначальном уровне.

Вопросам повышения энергоэффективности электроприводов промышленных предприятий посвящены работы многих отечественных научных школ, а также известных ученых в области электромашиностроения, электроэнергетики и энергопотребления. Наиболее значимые результаты в решении обозначенной проблемы достигнуты в Московском энергетическом институте (техническом университете) при активном участии Ильинского Н.Ф., Копылова И.П., Беспалова В.Я., Ключева В.И., Микитченко А.Я., Федорова A.A., Беликова В.А. и др. Большой вклад внесли ученые отраслевых промышленных институтов ВНИПИ «Тяжпромэлектропроект», ОАО «Электропривод», ОАО «НИПТИЭМ» научные школы Уральского федерального округа при участии Шубенко В.А., Браславского И.Я., Пластуна А.Т., Шрейнера А.Т., Зюзева А.М., Гафиятуллина Р.Х., Хохлова Ю.И., Усынина Ю.С., Селиванова И.А., Карандае-ва A.C., Сарварова A.C.,'Корнилова Г.П. и др.

Наиболее эффективным техническим мероприятием, обеспечивающим повышение энергетического КПД потребителей электрической энергии переменного тока, является компенсация реактивной мощности. На практике это

4

реализуется путем применения различных компенсаторов реактивной мощности (КРМ). Директивные материалы правительства РФ регламентируют нормативное значение коэффициента мощности cosq>=0,9. Однако эта величина достигается преимущественно в электросетях среднего и высокого напряжений (35-110 кВ). В низковольтных сетях напряжением 0,4 кВ, от которых питается до 60% ТАД, повышение coscp до приемлемого уровня известными способами экономически не всегда оправдано, поэтому, зачастую, не применяется.

В этой связи актуальным и практически значимым для развития экономики страны является решение задач, направленных на повышение энергоэффективности асинхронных электроприводов промышленных установок напряжением до 1000 В. Решение проблемы ведется по трем главным направлениям: создание энергоэффективных электродвигателей; создание современных микропроцессорных автоматизированных систем управления электроприводами с реализацией функции энергосбережения; компенсация реактивной мощности индуктивного характера.

Направление исследования данной диссертационной работы определено путем комплексного объединения трех названных направлений решения проблемы энергоэффективности на основе концепции индивидуальной компенсации реактивной мощности электропотребителя на уровне его электромагнитной системы.

Работа выполнялась в рамках Федеральной Целевой Программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы по теме: «Создание энергосберегающих систем транспортировки, распределения и потребления электрической энергии на металлургическом предприятии с полным технологическим циклом», № ГК № 02.740.11.0755 от 12.04.2010 и по грантам Минэкономразвития Челябинской области.

Цель работы - повышение энергетической эффективности электроприводов промышленных установок путем создания и применения асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности.

Для достижения цели, на основе системного анализа энергетических показателей асинхронных двигателей и электроприводов на их основе, с учетом главных причин, влияющих на показатели энергоэффективности, в работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработка новых асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности.

2. Создание методик проектирования, технологии изготовления и экспериментальных исследований асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности (АД с ИКРМ).

3. Разработка математических моделей для оценки статических и динамических характеристик электроприводов на основе асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности.

4. Разработка методики и алгоритма расчета показателей энергоэффективности регулируемых и нерегулируемых электроприводов на основе применения ТАД и АД с ИКРМ.

5. Создание и исследование нерегулируемых электроприводов промышленных установок на основе применения асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности.

6. Создание и исследование регулируемых электроприводов промышленных установок на основе асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности.

7. Оценка экономической эффективности электроприводов промышленных установок на основе применения АД с ИКРМ.

Научная новизна работы

1. Научно обоснована и разработана концепция создания энергосберегающих электроприводов промышленных установок на основе асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности непосредственно в электромагнитной цепи статора за счет использования явления ферро-резонанса токов. В известной концепции компенсации реактивной мощности электропотребителей используется явление резонанса токов в электрических цепях системы электроснабжения.

2. Разработаны новые конструкция, электромагнитные и электрические схемы соединения обмоток статора асинхронного двигателя с индивидуальной компенсацией реактивной мощности, отличающиеся от конструкции, электромагнитной и электрической схем соединения ТАД наличием двух ш-фазных статорных обмоток, одна из которых, рабочая (РО), подключается к источнику электрической энергии, а другая, компенсационная (КО), - на ш-фазный компенсирующий конденсатор регламентированной емкости. Новая конструкция асинхронного двигателя, в отличие от ТАД, предусматривает комбинационные варианты электрических схем соединения обмоток статора, конденсатора, источника электрической энергии и получение феррорезонанса токов в электромагнитной системе машины.

3. Теоретически обоснованы и получены: механические и электромеханические характеристики электропривода на основе АД с ИКРМ с двумя обмотками статора; электрическая схема замещения АД с ИКРМ; новые зависимости, определяющие линейную токовую и тепловую нагрузки статора, содержащего две и более ш-фазных обмоток, отличающиеся от известных тем, что позволяют учитывать нагрузки от действия токов каждой т-фазной обмотки; новые зависимости, определяющие величину емкости компенсирующего конденсатора в функции частоты тока и параметров обмоток статора, ротора и полезной мощности двигателя; рациональное соотношение реактивных сопротивлений ветвей намагничивания АД с ИКРМ и ТАД, обеспечивающее максимальный энергетический КПД электропривода.

4. Разработаны методика расчета и проектирования электропривода на основе АД с ИКРМ, принципиальным отличием которой является алгоритм двухэтапного электромагнитного расчета асинхронного двигателя с индивидуальной компенсацией реактивной мощности, адаптированная к известной методике расчета ТАД, отличающаяся тем, что после первого этапа, на котором осуществляется расчет по критерию минимальных затрат на создание электри-

ческой машины, на втором этапе осуществляется расчет по критерию получения максимального энергетического КПД. Особенностью второго этапа расчета является использование: новых теоретически обоснованных зависимостей для определения линейной токовой и тепловой нагрузок статора, емкости компенсирующего конденсатора, рационального соотношения реактивных сопротивлений ветвей намагничивания АД с ИКРМ и ТАД; новой электрической схемы замещения для расчета рабочих, механических характеристик и показателей энергоэффективности; новой последовательности электромагнитного расчета.

5. Получены зависимости для инженерных расчетов параметров РО, КО в функции параметров ТАД, разработаны методика и программа для ЭВМ, обеспечивающие пересчет уже созданных ТАД с целью их модернизации на АД с ИКРМ, отличающиеся тем, что для пересчета используются геометрические параметры имеющейся магнитной системы, обмоточные данные ТАД, а также новые зависимости, определяющие: линейную токовую и тепловую нагрузки статора, емкость компенсирующего конденсатора от параметров схемы замещения; рациональное соотношение реактивных сопротивлений ветвей намагничивания АД с ИКРМ и ТАД.

6. Разработаны математические модели, адекватно описывающие энергетические, электромеханические и тепловые характеристики электроприводов на основе АД с ИКРМ в статическом и динамическом режимах. В отличие от известных моделей, они учитывают конструктивные отличительные признаки компенсированного двигателя: параметры обмоток статора, ротора, компенсирующего конденсатора, а также режим нагрузки электропривода.

7. Разработаны методика, алгоритм и программа для ЭВМ, рассчитывающие показатели энергоэффекгивности регулируемых и нерегулируемых электроприводов, отличающиеся от известных тем, что наряду с математическими моделями ТАД используются модели АД с ИКРМ, а также модели технологических машин и их нагрузок, позволяющие исследовать энергоэффективность электроприводов при различных величинах емкости компенсирующего конденсатора и электромагнитных схемах машины.

8. Разработаны способ и устройство для повышения энергоэффективности электропривода на основе АД с ИКРМ, отличающиеся тем, что ток компенсационной обмотки статора регулируется в функции тока рабочей обмотки либо изменением величины емкости компенсирующего конденсатора, либо переключением электрических схем соединения обмоток статора и конденсатора, либо одновременным изменением емкости конденсатора и переключением электрических схем соединения обмоток статора и конденсатора.

Практическая значимость работы

1. Концепция индивидуальной компенсации реактивной мощности асинхронных двигателей, основанная на использовании феррорезонанса токов в электромагнитной цепи статора, позволяет эффективно использовать магнитную систему и компенсирующий конденсатор для генерации реактивной мощности емкостного характера в самой электрической машине. В режиме ферро-

резонанса токов емкостный ток КО подмагничивает магнитную систему так, что индуктивный реактивный ток РО, потребляемый двигателем от источника электрической энергии (ИЭЭ), стремится к минимальному значению, а полный ток - к значению активного тока. При этом coscp увеличивается до единицы, энергетический КПД возрастает при нагрузке (0,75^1,0)Р2„ на 9-17%, при нагрузках (0,25-0,5)Р2н - на 18-26%. Это приводит к снижению полного потребляемого тока и полной мощности на 8-15%, потерь активной электрической мощности в системах электропривода и электроснабжения на 6-9%, а также к уменьшению коэффициента загрузки силовых трансформаторов, повышению ресурса проводов, кабелей и пускорегулируклцей аппаратуры.

2. Новая конструкция асинхронного двигателя, содержащая две ш-фазные статорные обмотки и m-фазный конденсатор, позволяет существенно увеличить число вариантов электромагнитных схем двигателя и электроприводов, что дает возможность расширить области поиска и управления показателями энергоэффективности электротехнического комплекса. Если конструкция ТАД позволяет реально создать две известные схемы соединения («Y» и «А»), то конструкция нового двигателя позволяет создать не менее восьми симметричных и около 20 несимметричных вариантов электромагнитных схем. Это позволяет обеспечить 2-4-ступенчатый пуск двигателя с короткозамкнутым ротором, организовать энергосберегающие режимы электроприводов при работе технологических машин без нагрузки, или при загрузках значительно ниже номинальной с генерацией реактивной мощности в электросеть.

3. Применение новых полученных зависимостей, определяющих величины: линейной токовой и тепловой нагрузок статора, емкости компенсирующего конденсатора, рационального соотношения реактивных сопротивлений ветвей намагничивания АД с ИКРМ и ТАД, а также электрической схемы замещения позволяет проектировать энергосберегающие двигатели, удовлетворяющие главным требованиям к электрическим машинам, в том числе, по допустимой токовой и тепловой нагрузкам активных элементов, а также по критериям эффективного использования электротехнической стали и емкости компенсирующего конденсатора.

4. Разработанные методика и алгоритм электромагнитного расчета АД с ИКРМ, по критерию минимума затрат на первом этапе, а на втором этапе - по критерию максимума энергетического КПД, позволяют создавать энергосберегающие асинхронные двигатели (ЭАД), обладающие cosq)=l,0 и энергетическим КПД 80-93%, что на 10-16% выше энергетических КПД ТАД (64-83%). Например, применение разработанной методики для создания нового двигателя типа АИРК71-В2УЗ позволило в условиях электромашиностроительного завода создать двигатель, номинальный ток которого (1,89 А) на 22% меньше номинального тока ТАД-аналога (2,4А). Это, при практически одинаковых электрических КПД (80%), повысило его энергетический КПД на 17% (с 63 до 80%). Путем реконструкции ТАД на АД с ИКРМ в условиях электроремонтных предприятий создано более 150 энергосберегающих асинхронных электроприводов промышленных установок предприятий РФ (ОАО «Татнефть», ОАО

8

«ММК-МЕТИЗ», ЖКХ и др.), позволивших уменьшить потери электрической энергии на 4-7%, что составляет 0,9-1,2 млн. кВт-час в год.

5. Разработанные методика, зависимости для инженерных расчетов и программа для ЭВМ применяются для пересчета заводских обмоточных данных ТАД при их реконструкции на АД с ИКРМ в электроремонтных цехах и участках предприятий (ОАО «Татнефть», ОАО «ММК-МЕТИЗ», ОАО «ММК», МУП «Электротранспорт», ЗАО «Горно-обогатительное производство» группы компаний ОАО «ММК», МП трест «Водоканал» и др.).

6. Разработанные математические модели энергетических, электромеханических и тепловых характеристик являются «инструментами», позволяющими на этапе создания новых или реконструкции существующих ТАД получать ожидаемые показатели работы электроприводов в статических и динамических режимах и принимать обоснованные решения о целесообразности реконструкции и вариантах ее проведения.

7. Разработанные методика, алгоритм и программа для ЭВМ, рассчитывающие показатели энергоэффективности регулируемых и нерегулируемых электроприводов на основе применения ТАД и АД с ИКРМ, позволяют на этапе проектирования исследовать энергоэффективность вариантов систем электроприводов при различных величинах емкости компенсирующего конденсатора и различных электромагнитных схемах машины.

8. Способ и устройство для повышения энергоэффективности электропривода на основе АД с ИКРМ, основанные на регулировании тока компенсационной обмотки в функции тока рабочей обмотки изменением величины емкости и схемы подключения обмоток статора и компенсирующего конденсатора позволяют, по сравнению с вариантом, где током компенсационной обмотки нерегулируемый, дополнительно повысить энергетический КПД электропривода на 8-15% в области нагрузок (0,25-0,5)Р2„ и на 1,5-3% в области нагрузок (0,5-0,7)Р2„.

Промышленное внедрение

Применение результатов научной работы позволило реконструировать и создать более 150 энергосберегающих асинхронных двигателей и повысить энергоэффективность электроприводов на основе АД с ИКРМ конкретных промышленных установок:

1) волочильного стана UDZSA 2500/3 ОАО «ММК-МЕТИЗ»;

2) нефтяных станков-качалок, насосов нефтегазового комплекса;

3) насосных агрегатов ЖКХ (трестов «Теплофикация», «Водоканал»);

4) вентиляторов, шламовых насосов и др.

Экономия электрической энергии составляет более 3,5 млн. кВт-час, или в денежном выражении - около 6 млн. рублей в год.

Полученные в диссертационной работе результаты рекомендуются для практического внедрения на предприятиях всех отраслей промышленности, электромашиностроительных, электроремонтных предприятиях, изготавливающих или ремонтирующих асинхронные двигатели.

К защите представляются следующие основные положения

1. Концепция энергосберегающих электроприводов на основе асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности за счет использования явления феррорезонанса токов в электромагнитной цепи статора, обеспечивающая снижение электропотребления, повышение КПД электродвигателя и уменьшение потерь электрической энергии в электроприводе и электропитающей сети.

2. Конструкция, электромагнитные и электрические схемы асинхронного двигателя с индивидуальной компенсацией реактивной мощности. Электрическая схема замещения и зависимости, определяющие: линейную токовую и тепловую нагрузки статора асинхронного двигателя, содержащего на статоре две и более т-фазные обмотки; емкость компенсирующего конденсатора от электромагнитных параметров двигателя; рациональное соотношение реактивных сопротивлений ветвей намагничивания АД с ИКРМ и ТАД.

3. Методики и алгоритмы электромагнитного расчета АД с ИКРМ, пересчета существующих ТАД в АД с ИКРМ, технология их изготовления и испытания.

4. Математические модели, описывающие статические и динамические режимы электропривода на основе АД с ИКРМ.

5. Методика и алгоритм расчета показателей энергоэффективности электроприводов промышленных установок, созданных на основе применения ТАД и АД с ИКРМ.

6. Способ и устройство для повышения энергоэффективности электропривода на основе АД с ИКРМ путем регулирования тока компенсационной обмотки изменением генерируемой реактивной мощности компенсирующего конденсатора.

7. Результаты теоретических и экспериментальных исследований регулируемых электроприводов на основе АД с ИКРМ, выполненных по системам ПЧ-АД, ПЧшим-АД, ТРН-АД, подтвердившие их работоспособность, обеспечение заданных динамических свойств и улучшенных энергетических характеристик.

8. Результаты промышленного внедрения электроприводов на базе разработанных АД с ИКРМ в промышленных установках, на объектах нефтегазового комплекса, ЖКХ и др., подтвердившие высокую эффективность использования разработанного асинхронного двигателя и снижение потерь электрической энергии в среднем на 7-12%, при этом срок окупаемости капитальных вложений и затрат на реконструкцию составляет от 0,2 до 1,2 года.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических семинарах энергетического факультета ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет», а также на международных научно-технических конференциях, симпозиумах, выставках-конгрессах, в том числе: на IV Международной (15 Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу, Магнитогорск, 2004 г.; на V, VII Международных симпозиумах

«ЭЛМАШ-2004, 2009», Москва; Международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии», Томск, 2005 г.; Международной выставке-конгрессе. Высокие технологии. Инновации. Инвестиции, Санкт-Петербург, 2006 г.; V Международной (16 Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу, Санкт-Петербург, 2007 г.; XII Международной конференции «Электромеханика, электротехнология, электротехнические материалы и компоненты», Крым, Алушта, 2008 г.; Международной конференции «Электроэнергетика и автоматизация в металлургии и машиностроении», Магнитогорск, 2008 г.; VI Международной (17 Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу, Тула, 2010г.; научно-методическом семинаре «Энергосбережение средствами электропривода» кафедры автоматизированного электропривода Московского энергетического института (технического университета) 1 февраля 2011 г. и других.

Диссертационная работа рекомендована к защите расширенным заседанием кафедры электротехники и электротехнических систем ГОУ ВПО "Магнитогорский ГТУ им. Г.И. Носова" (17 марта 2011г.).

Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в 55 печатных трудах, в том числе 12 в рецензируемых изданиях по перечню ВАК, одна монография, 39 статей и докладов, один патент, две официально зарегистрированные программы для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы из 173 наименований и 7 приложений на 14 страницах. Работа изложена на 393 страницах машинописного текста, содержит 183 рисунка, 34 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отражено состояние проблемы, обоснована актуальность темы, сформулированы главные направление, цели и задачи исследования, представлены научная новизна и практическая значимость работы.

Первая глава посвящена анализу известных конструкций ТАД и вариантов систем электроприводов на их основе с точки зрения их энергетической эффективности. Выявлены главные причины, вызывающие значительные потери электрической энергии в системах электроснабжения и электроприводов, созданных на основе ТАД. Показано, что главными причинами, снижающими энергоэффективность асинхронных электроприводов, являются: ограниченное число вариантов электромагнитных схем электрической машины; проектирование двигателя по критерию минимума затрат на его изготовление; энергетические показатели двигателя не являются исходными при его проектировании; для повышения соэф асинхронных двигателей, работающих в системах электроснабжения напряжением 0,4 кВ, не применяются компенсаторы реактивной мощности.

Во второй главе приведены результаты разработки новых конструкций и вариантов электромагнитных схем (ЭМС) асинхронных двигателей с индиви-

11

дуальной компенсацией реактивной мощности. Двигатель может иметь корот-козамкнутую или фазную обмотку ротора (ОР). Конструктивно АД с ИКРМ отличается от ТАД наличием на статоре двух трехфазных обмоток и трехфазного конденсатора с регламентированной емкостью. Одна из трехфазных обмоток, называемая рабочей обмоткой (РО), подключается к трехфазному источнику электрической энергии (ИЭЭ), другая, называемая компенсационной обмоткой (КО), подключается к трехфазному конденсатору (С), соединенному или в схему «У», или «А», или в другие схемы. Предложенная конструкция дает возможность создавать большое число вариантов симметричных и несимметричных ЭМС асинхронного двигателя. Приведены и проанализированы 28 вариантов электромагнитных схем АД с ИКРМ. Каждый из вариантов ЭМС позволяет получить двигатель с присущими только данной ЭМС естественными и искусственными рабочими, механическими характеристиками и показателями энрегоэффективности. Это значительно увеличивает возможности управления электроприводом как с точки зрения получения желаемых рабочих и механических характеристик, так и получения наилучших показателей энергоэффективности. На рис. 1 представлены три наиболее эффективных варианта из 8 симметричных электромагнитных схем разработанного двигателя.

Рис. 1. Трансформаторная (а) и автотрансформаторные (б, в) ЭМС АД с ИКРМ

На основе известного подхода обоснована и получена электрическая схема замещения АД с ИКРМ, приведенная на рис.2., отличающаяся от схемы замещения ТАД наличием ветви с параметрами КО И'3) Х'о3 и компенсирующего конденсатора с параметрами г'ю Х'к.

Рис. 2. Схема замещения АД с ИКРМ В связи с наличием на статоре двигателя двух т-фазных обмоток (РО, КО), теоретически обоснованы и получены новые зависимости для вычисления линейной токовой (Аь) и тепловой нагрузок статора АД с ИКРМ с учетом величин и характеров токов, протекающих по ним, и числа проводников РО и КО в пазах статора:

_юад I 2 2. (1)

л1э - п У\1\на+13ан) +\1\нр+1Ърн) > 71 ■ их ■ а, ' ■

(2)

где 2Х - число пазов статора; N„1 - число проводников РО и КО в пазах статора; £>1 -внутренний диаметр статора, мм; а\ - число параллельных ветвей обмотки статора; 1\т, - активная и реактивная составляющие тока рабочей обмотки при номинальной нагрузке двигателя; /Зна, /Знр - активная и реактивная составляющие тока компенсационной обмотки при номинальной нагрузке двигателя; J\, - плотность тока в обмотках статора, А/мм2.

Доказано, что ток КО, размещенной на статоре, подмагничивает магнитную систему машины и тем самым позволяет уменьшить величину реактивного тока индуктивного характера, потребляемого РО от ИЭЭ. Получены аналитическая и экспериментальная зависимости, определяющие рациональное соотношение (коэффициент /Г2т) между сопротивлениями ветвей намагничивания АД с ИКРМ (ХтАдсикрм) и ТАД (ХтТлд) с учетом подмагничивающего действия тока компенсационной обмотки. Максимальный энергосберегающий эффект достигается при условии

ХтАДсИКГМ^Кгт' -^тТАД- (3)

Для различных ЭМС экспериментально получено значение Кгт=1,8-КЗ,2.

Выполнено теоретическое обоснование и получены аналитические зависимости, определяющие величину емкости компенсирующего конденсатора от параметров схемы замещения, частоты тока ИЭЭ и механической нагрузки, приложенной к валу АД с ИКРМ. Наиболее универсальная зависимость для определения емкости компенсирующего конденсатора, применительно к схеме на рис. 1в, имеет вид

с, =

2-А

Коэффициенты выражения (4) А, В, Ж, а, Д у зависят от параметров схемы замещения и желаемого коэффициента мощности двигателя; к - коэффициент трансформации между КО и РО. Выражение имеет физический смысл при положительных ±! и ±2- Для расчета емкости конденсатора создана программа для ЭВМ.

В третьей главе разработаны методики электромагнитного расчета, технологии создания и испытания АД с ИКРМ, удовлетворяющие известным в практике создания асинхронных двигателей условиям и ограничениям. Обосновано, что АД с ИКРМ, в отличие от ТАД, должны рассчитываться в два этапа, причем на каждом этапе по различным критериям. Первый этап проектирования АД с ИКРМ основан на использовании накопленного опыта и методики расчета ТАД по критерию минимума затрат на его создание. Второй этап расчета основывается на использовании результатов расчета первого этапа и выполняется по критерию максимального энергетического КПД электрической машины,

Второй этап расчета ведется с учетом конструктивных отличительных признаков, с использованием полученных зависимостей (1-4) и схемы замещения АД с ИКРМ. На рис. 3. приведена блок-схема алгоритма расчета АД с ИКРМ, где прерывистой линией выделен первый этап расчета - расчет ТАД, оставшаяся часть схемы определяет последовательность второго этапа расчета. Этапы электромагнитного расчета взаимосвязаны. После расчета ТАД (блок 13) начинается пересчет двигателя по критерию получения максимального энергетического КПД ЭАД. В блоке 14 проверяется соответствие расчетного энергетического КПД т]эн желаемому энергетическому КПД, цэн.ж

Если условие не выполняется, то в блоке 15 осуществляются: тепловой расчет двигателя и расчет вентиляции; расчет динамических параметров двигателя и его массы. Блок 16 осуществляет вывод протокола расчета и завершает расчет АД; если условие выполняется, то в блоке 17 вычисляется величина реактивной мощности, подлежащая компенсации, и реактивная мощность компенсирующего конденсатора Qз. В блоке 19 определяются: емкостное сопротивление нагрузки компенсационной обмотки Ха, емкость компенсирующего конденсатора Сз, номинальный ток /3„, число витков и диаметр обмоточного провода компенсационной обмотки. Суммарная площадь 5],з, занимаемая РО и КО, определяется в блоке 20.

шах т]эн = т]н -са$,<рн .

(5)

Пэи — Лэнж. •

(6)

Рис. 3. Блок-схема алгоритма расчета АД с ИКРМ •ЛГ,.

В блоке 22 вычисляется линейная токовая нагрузка статора А13. В блоках 23-30 вычисляются параметры обмоток, размеры углубленного и уширенного паза статора. В блоке 31 проверяется условие А1,з<Ад, если это условие выполняется, то в блоке 32 вычисляется тепловая нагрузка статора Затем в блоке 33 проверяется условие Wl>з<Wд, если условие не выполняется, то в блоке 2 изменяются размеры магнитной системы проектируемого двигателя и рассчитываются параметры другого варианта двигателя.

Если названное условие выполняется, то в блоке 9 рассчитываются: магнитная цепь с учетом измененных размеров паза статора, величина намагничивающего тока с учетом числа витков обмоток М1У, ЭДу, тока 13н. Следует отметить, что намагничивающий ток определяется отношением

1т = ■ - 73 • ) / Ы[у. Затем определяются: главное индуктивное сопротивление двигателя; коэффициенты насыщения магнитной системы Кн и рассеяния статора Т1; активные и индуктивные сопротивления обмоток статора и ротора. В блоке 13 определяются: главные характеристики варианта АД с ИКРМ - начальный пусковой момент, начальный пусковой ток и максимальный момент при работе в режиме холостого хода и при работе с номинальной нагрузкой; рабочие характеристики, в том числе энергетический КПД. Далее алгоритм реализуется аналогично описанному выше.

Разработанные метод и алгоритм проектирования предусматривают возможность создания АД с ИКРМ на основе уже изготовленной магнитной сис-

темы ТАД, например, при реконструкции во время капитального ремонта обмотки статора на электроремонтном предприятии. Для этого в структуру алгоритма вводят параметры схемы замещения реконструируемого ТАД.

Отличительная особенность технологии изготовления АД с ИКРМ заключается в том, что катушки КО размещены в тех же пазах статора, что и катушки РО, причем начала и концы катушек РО и КО выведены на одну и ту же сторону. Стороны катушек КО могут быть смещены относительно сторон катушек РО на п пазов. Катушки КО размещаются в своих пазовых коробочках; электрические схемы соединения РО, КО и С осуществляются в соответствии с оптимальной ЭМС, обеспечивающей максимум двигателя с учетом технологической нагрузки электропривода.

Разработаны и реализованы электрические схемы, методики испытания созданных двигателей, отличающиеся тем, что однотипные АД с ИКРМ испы-тываются попарно, для этого соединяют их валы муфтой, после чего путем поочередного перевода одного из них в двигательный, а другого в генераторный режимы регистрируют электромеханические параметры на цифровой осциллограф или персональный компьютер, на основе которых получают рабочие и механические характеристики.

В четвертой главе разработаны математические модели для оценки статических и динамических характеристик электроприводов на основе АД с ИКРМ. Математические модели, описывающие статические характеристики, основаны на решениях электрической схемы замещения (ЭСЗ) двигателя с учетом технологической нагрузки электропривода. Решения электрических схем замещения выполнены методом непосредственного применения законов Кирхгофа; расчет рабочих и механических характеристик выполняется в специальной программе для ЭВМ.

На основе математических моделей, описывающих статические характеристики двигателей, получены рабочие (энергетические) характеристики, электроприводов насосного агрегата АНУЗ АЦМС 90 с номинальными данными: ТАД - АИР 18082 УЗ, Р2„=22 кВт; и,„=220 В; ту=0,88; сюфн=0,91; 1„=41,6 А; АД с ИКРМ - АИР 180Б2 УЗ, Р2н=22 кВт; и1н=220 В; Т1„=0,92; со8<р.=1,0; 1Н=36,2 А, созданный путем реконструкции ТАД, приведенные на рис. 4,5.

............;......

цш. ■

■ . \ лд—

н

1 ■

■ '"*""...........

.............ЬЬ = д ИРК 18082 УЗ 1.-; ...............Г;.....................Г-».............аа

Рис. 4. Естественные рабочие характеристики ТАД и АД с ИКРМ

ТАД

.............(....:... !..:: ! —1г:= ' ! '

; ! ■ ; 1 5...!........... 7Г1Х.Г. "Г............. Т"|........... .......'""1

! : ■ 1 .........!............. ............\......... ................... 1 Г

.......1 '........ 1 .........!"■ г •и

1----1

ДТЛР 1 ЯПСО V"} — ...............::::. ДТ/ГШ/" 1ЯПО V"} 1-

1/ я;™)::: АИг 1био/ УЗ — ......:.......1.............1............:-;■■— — /\KLriv 1оиа/ УЗ ■■■!.......1.............. '■"" 1.........;■■■■;—,1,...............

И1М4

Рис. 5. Естественные механические характеристики ТАД и АД с ИКРМ

В результате реконструкции ТАД на АД с ИКРМ улучшаются рабочие и механические характеристики электропривода, в частности, потребляемый из электросети ток АД с ИКРМ (36,2 А) уменьшается по сравнению с током ТАД (41,6 А) на 13%; соэср АД с ИКРМ больше соэср ТАД на 9%; энергетический КПД АД с ИКРМ (92%) возрастает по сравнению с энергетическим КПД ТАД (80,1%) на 11,9%.

Анализ механических характеристик двигателей показывает, что АД с ИКРМ имеет пусковой и критический моменты на 10-15% больше, чем ТАД. Это объясняется некоторым увеличением активного сопротивления короткого замыкания из-за уменьшения площади поперечного сечения про-

вода РО статора и уменьшением индуктивного сопротивления короткого замыкания ХК=Х1ЭАД +Х2 вследствие уменьшения площади паза, занимаемой рабочей обмоткой. Активное и индуктивное сопротивления РО и КО определяются выражениями:

д,

■\ЭАД

кгэ ХТАД ~ Р'зЭАД )

„ _ Х\ТАД ' (АТАД \ЭАД - 72 7 '

73 ' "1ТАД

_ ^1ГАД(^1ТАД ~ Ри 1,3 )

К31 г3 ЭАД

у, _ Х\ТАД ' (ЬтАД ~КэАд)

ЗЭ4^ - 7Г~7 '

К31 '"1 ТАД

(7)

(8)

(9)

(10)

где: Р1Гд^ РЪЗАД - площади паза, занимаемые медью обмотки статора ТАД и компенсационной обмотки АД с ИКРМ; к1ТАд- высота паза статора ТАД; ИЗЭАд - высота паза, занимаемая компенсационной обмоткой АД с ИКРМ; ^ 1,3 -площадь паза, занимаемая изоляцией между рабочей и компенсационной обмотками; ктэ =1У1Ш/№1ЭАд1 к3, ^зэад/Ж1эад.

Динамические характеристики АД с ИКРМ оцениваются путем решения систем уравнений:

-для рабочей обмотки статора:

Г„ , , г

"и - K\A'l\A+b\A'~~jj-+ Jt >

_n , , г dhB^l

"IB +

Ml

-для обмотки ротора:

, -R i +Г ^hc^C. MC -Л1С 'MC + "4C tft '

« -ff / di2A,^2±.

U2A ~K2A'J2A +L2A ¿t '

„ -ff ./ +/ , <W2B.

и -ff i +Г di2C U2C ~ К2С'12С+Ь2С'~^"^ '

статора:

« -ff ; 4-1 ^а.^за.

u -R ./ +F i ^35 .

M3ß - K3B '3B+L3B ^¿T ^ >

» -ff ; +/• di3C

U3C - K3C hc + 4c +—>

(12)

-- - - - dt -для компенсационной обмотки

(13)

где и ¡а, и1В, Ujc, и2А, Щв> и2С, уза, Щв, Що ¡ia, iib> 'ю 'гл> he> ho ¡за, 1зв, 'зс ~ мгновенные значения фазных напряжений и токов рабочей обмотки статора, обмотки ротора, компенсационной обмотки статора, соответственно; R1A, R1B, Rio R-2A, Rib, R-2G R3A, R3B, %зс. L¡а, Lib, L]c, L2ä, L2b, L2c, L}A, L}b, L3C -активные сопротивления и индуктивности потоков рассеяния фаз рабочей обмотки статора, обмотки ротора и компенсационной обмотки статора, соответственно; Via, 'Fib, ¥ю ¥и, %в, %а, f.зв, ¥зс ~ мгновенные значения рабочих пото-косцеплений фаз обмоток статора и ротора.

Электромагнитный момент (М) асинхронного двигателя с числом пар полюсов (р„) выражен уравнением:

M=-p„I>li2(iiA-i2A'S^2)+ilA'i2B'S^2+120O)+ilA-i2C'Sm(92-120O)+ +iiB-i2B-sin(cp2) + iiB'i2C'Sin(92+1200)+ilB'i2A'Sin(92-1200)+ +11СМ2С-8т(ф2)+11сМ2А'8т(ф2+1200)+11сМ2В'Зт(ф2-120°))+ +М32(1зА'12А'5т(±ф1з+ф2)+13А'12В'5Ш(±ф13+ф2+120°)+ +ЬА'12С,5т(±ф13+ф2-1200)+1звМ2В'&т(±ф1з+ф2)+1зВ'12С'8т(±ф13+ф2+120°)+

+13В'12А'5т(±ф13+ф2-1200)+1зС'12С'5т(±ф13+ф2)+

+1зс'Ьа'31п(±ф 1з+ф2+120 )+i3c"i2B'sin(±9i3+92-120 ))].

(14)

Ускорение ротора АД, частота щ вращения ротора, электрический угол (Р2 поворота магнитного поля ротора относительно статора определяются известными уравнениями:

da 2 М - Мс

dt J

а>2 =j\(M-Mc)dt.

<Рг = Рп- \®2dt-

(15)

(16) (17)

где Мс - статический момент нагрузки, приложенный к валу двигателя; J -момент инерции электропривода, приведенный к валу двигателя.

Система уравнений (11-17) решается методом структурного моделирования в специализированной среде Ма11аЬ ЗппиШщ. На рис. 6 приведены осциллограммы прямого пуска двигателя АИРК 71-В2УЗ без нагрузки.

Рис. 6. Осциллограммы прямого пуска двигателя АИРК 71-В2УЗ

Разработаны математические модели для оценки статических и динамических тепловых режимов двигателя. В отличие от математических моделей ТАД, модели АД с ИКРМ представлены моделями четырех взаимосвязанных в тепловом отношении активных элементов: рабочей обмотки статора, обмотки ротора, компенсационной обмотки статора и магнитопровода.

Многомерная многосвязанная инерционная динамическая тепловая модель двигателя представляется в матричной форме в виде:

— = С-1-Ю-АЬУ); (18) dt

Я = (19)

А У = У-Уокр, (20)

где: С - диагональная матрица теплоемкостей активных элементов модели; А -квадратная матрица тепловых проводимостей каналов теплообмена активных элементов модели с окружающей средой и друг с другом; О, Р, А V, V, Уокр -дифиниции матриц столбцов, соответственно, мощностей потерь, теплогенера-ций и температуры активных элементов и окружающей среды.

На рис. 7 представлена струк-

¿V.»

турная схема тепловой модели АД с ИКРМ, где Рэь Рэъ Рэз, Рэ4 - электрические потери соответственно в РО, ОР, КО, магнитопроводе; У1; У2, Уз, - температура активных элементов двигателя; АУЬ ДУ2, АУ3, ДУ4 - превышение температуры активных элементов двигателя.

Разработанная тепловая модель проверена на адекватность путем экспериментальных исследований двигателя АИРК 71-В2УЗ. На рис. 8 представлены экспериментальные зависимости превышения температуры Ау^^) двигателя АИРК 71-В2УЗ при холостом ходе и различных емкостях компенсирующего конденсатора: С1=0,5 мкФ, СОЭ фхх=0,8; С2=1 МКФ, СО8фхх=1,0. Проверка показала, что результаты

Рис. 7. Структурная схема динамической тепловой модели АД с ИКРМ моделирования и экспериментальных исследований отличаются на 8-10%, что для тепловых моделей является приемлемым. Кроме того, исследования показали, что незначительное превышение температуры (3-5)°С АД с ИКРМ (кривая С]) по сравнению с ТАД обусловлено неоптимальным соотношением активных сопротивлений РО и КО, а также завышенным cos ср холостого хода. Опыт применения АД с ИКРМ показал, что оптимальный коэффициент мощности при холостом ходе лежит в диапазоне 0,550,65. Незначительное превышение температуры АД с ИКРМ при сохранении номинальной мощности двигателя требует повышения класса изоляции на одну ступень. Увеличение емкости конденсатора с целью достижения coscp=l,0 в ре-

Рис. 8. Экспериментальные зависимости Av!=f(t) двигателя АИРК 71-В2УЗ

жиме холостого хода приводит к росту среднемассовой температуры двигателя (кривая С2).

Разработаны методика и алгоритм расчета показателей энергоэффективности электроприводов промышленных установок, созданных на основе применения ТАД и АД с ИКРМ, позволяющие оценивать технико-экономическую целесообразность реконструкции электроприводов, выполненных на основе ТАД на электроприводы с применением АД с ИКРМ. На рис. 9 приведена укрупненная блок-схема, реализующая методику расчета показателей энергоэф-

Рис. 9. Структурная схема алгоритма расчета показателей энергоэффективности систем асинхронных электроприводов

Отличительной особенностью методики является то, что в ней положена возможность исследования показателей энергоэффективности (ПЭЭ) как нерегулируемых, так и регулируемых электроприводов (блок 3), созданных на основе применения или АД с ИКРМ, или ТАД (блок 6), причем как с коротко-замкнутым ротором, так и с фазным ротором (блок 17).

Другим отличительным признаком является то, что для регулируемых асинхронных электроприводов с короткозамкнутым ротором предоставляется

возможность исследования ПЭЭ для различных вариантов систем: или ПЧШИм-АД с ИКРМ, или ПЧШИМ-ТАД (блок 18) для различных законов управления отношением и^ (блоки 21, 22); или НПЧ-АД с ИКРМ, или НПЧ-ТАД для различных законов управления (фазового или частотно-фазового, или программного); или ТПН-АД с ИКРМ, или ТПН-ТАД (блок 24). Для электроприводов с применением двигателей с фазным ротором (блок 17) предоставляется возможность исследования ПЭЭ: или систем асинхронно-вентильных каскадов (АВК) на основе АД с ИКРМ или ТАД, или схем двойного питания на основе АД с ИКРМ или ТАД (блок 29). Для нерегулируемых и регулируемых вариантов электропривода определение ПЭЭ осуществляется по результатам расчетов электрических схем замещения (ЭСЗ), или ТАД (блок 7) или АД с ИКРМ (блок

8), в которых сопротивление (блок 5) роторной цепи эквивалентируется с технологической нагрузкой электропривода.

Отличие разработанной методики заключается также в том, что для всех рассмотренных вариантов систем электроприводов с применением АД с ИКРМ представляется возможность исследования ПЭЭ при изменениях или емкости С компенсирующего конденсатора (блок 10), или электромагнитной системы (ЭМС), блок 11, или и С и ЭМС (блок 12), или при неизменных С и ЭМС (блок

9). Разработанная методика позволяет после выбора варианта системы электропривода, удовлетворяющего технологическим требованиям промышленной установки, значительно расширить область поиска оптимального варианта электропривода с точки зрения его энергетической эффективности и принять решение о целесообразности технического мероприятия.

Для практической реализации методики разработана программа для ЭВМ, которая применялась для создания энергосберегающих электроприводов насосных агрегатов систем холодного, горячего водоснабжения и водоотведе-ния.

В пятой главе созданы и исследованы нерегулируемые электроприводы наиболее широко применяемых в практике рабочих машин и механизмов: электроприводы насосных агрегатов, промышленных вентиляторов, нефтяного станка-качалки.

Электропривод насосного агрегата. С использованием разработанной методики моделирования показателей энергоэффективности систем асинхронных электроприводов выполнены исследования энергоэффективности электроприводов насосных агрегатов. Моделировали электропотребление насосной установки типа АНУЗ АЦМС 90 (производитель «ЛИНАС», г. Москва) теплового пункта МП трест «Теплофикация», реализующей реальный суточный график подачи воды. Тип и номинальные данные исследуемых асинхронных двигателей: ТАД - АИР 18082 УЗ, Р2„=22 кВт; и1н=220 В; ^,=0,88; соБфн=0,91; 1Н=41,6 А; АД с ИКРМ - АИРК 18082 УЗ, Р2н=22 кВт; и1н=220 В; Пн=0,92; созф„=1,0; 1„=36,2 А, созданные путем реконструкции ТАД. На рис. 10 приведены результаты моделирования удельных расходов электроэнергии нерегулируемых (а) и регулируемых (б) электроприводов насосных агрегатов теплового пункта.

Щ, кВтчас/мЗ

2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00

кВтчас/мЗ

0.30

1 2 3 4 5 в 7 8 9 10 11 12 13 14 Номер подачи

Рис. 10. Зависимости удельных расходов энергии от подачи

Анализ результатов математического моделирования, полученных с помощью разработанной методики при принятых допущениях и графике подачи жидкости, позволяет утверждать: электроприводы насосных агрегатов, созданных на основе АД с ИКРМ эффективнее электроприводов насосных агрегатов на основе ТАД на 9,5-9,7%; среднее потребление тока нерегулируемыми электроприводами на основе АД с ИКРМ (34,7 А) на 17% ниже, чем среднее потребление тока электроприводами на основе ТАД (42,2 А); среднее потребление тока регулируемыми электроприводами на основе ПЧ-АД с ИКРМ (16,46 А) ниже, чем среднее потребление тока электроприводами на основе ПЧ-ТАД (23,5 А) на 29%.

Для исследования фактической энергоэффективности электроприводов насосных агрегатов, созданных по системе ТАД, АД с ИКРМ, ГТЧ-ТАД, ПЧ-АД с ИКРМ разработана экспериментальная установка, рис.11, с электрической схемой, представленной на рис. 12.

Рис. 11. Экспериментальные электроприводы насосных агрегатов

Рис.12. Электрическая схема электроприводов

Экспериментальные исследования подтверждают результаты математического моделирования. На рис. 13 приведены осциллограммы электрических параметров электроприводов насосных агрегатов при (2=сош^

Рис. 13. Напряжения и токи ТАД и АД с ИКРМ в установившихся режимах

Анализ главных показателей энергоэффективности электроприводов насосных агрегатов на основе применения АД с ИКРМ и ТАД показывает их следующие преимущества:

- за счет увеличения коэффициента мощности АД с ИКРМ наблюдается снижение потребляемого из электросети тока II на 17-34%;

- активная мощность Р! электропривода на основе АД с ИКРМ на 8-11% меньше активной мощности электропривода на основе ТАД;

- потребление реактивной мощности электроприводом на основе АД с ИКРМ не превышает 95-106 Вар, что практически в пять раз меньше, чем реактивная мощность, потребляемая электроприводом на основе ТАД (394-514 ВАр);

- полная мощность потребляемая электроприводом на основе АД с ИКРМ, практически равна активной мощности Рь

- коэффициент мощности электропривода близок к единице (0,98-1,0);

- за одинаковую продолжительность работы (10,8 часа) насосный агрегат с электроприводом на основе АД с ИКРМ транспортировал 17,6 м3 воды и

израсходовал 6,9 кВт-час электроэнергии, с электроприводом на основе ТАД -18,27 м3, затратив 7,9 кВт-час электроэнергии;

- удельный расход электроэнергии электропривода на основе АД с ИКРМ на 8,2-15,5 % меньше, чем электропривода на основе ТАД.

Сопоставление средних значений снижения удельных расходов электроэнергии, полученных методом моделирования и экспериментальным методом, а также применение теории подобия, показывают хорошую адекватность разработанной модели и объекта моделирования. Снижение среднего удельного расхода электроэнергии электроприводов на основе АД с ИКРМ, полученное методом моделирования (9,5 %) и экспериментальным методом (11,6%), отличаются на 2,1 %, что является вполне приемлемым для инженерных расчетов.

Таким образом, результаты экспериментальных исследований нерегулируемых электроприводов на основе АД с ИКРМ и ТАД насосных агрегатов показывают, что электропривод на основе АД с ИКРМ является энергосберегающим, более энергоэффективным, чем электропривод на основе ТАД. Поэтому АД с ИКРМ рекомендуются для создания энергосберегающих электроприводов насосных агрегатов.

Электропривод вентилятора. Разработаны и исследованы нерегулируемые электроприводы вентиляторов градирни тепловой электростанции. Реконструировали 12 ед. ТАД типа А02-91-6 с паспортными данными: Р2„=55кВт; п„=985 об/мин; и,„=220/3 80 В, 1,„=178/103 А; п=0,91; соз<р„ =0,89 в АД с ИКРМ. Сравнительный анализ рабочих характеристик ТАД и АД с ИКРМ показал, что номинальные значения скорости вращения ротора п2 и электромагнитного момента М двигателей практически одинаковы. Однако номинальный ток, потребляемый АД с ИКРМ (91,5 А), на 12% меньше номинального тока ТАД (104 А). Номинальный энергетический КПД электропривода на основе АД с ИКРМ (т1э„эад=0,92) выше номинального энергетического КПД ТАД 0Ънтад=0,787) на 13,3%.

Сравнительный анализ технико-экономических показателей вариантов электроприводов вентиляторов градирни на основе применения ТАД и АД с ИКРМ позволяет утверждать: коэффициент загрузки трансформатора, мощностью 1000 кВА снизился на 13% (рттАД=0,76, ртЭАд=0,66); потери электрической мощности в системах электроснабжения и электроприводов уменьшились на 25,8 кВт (ДРтад=135,2 кВт, ДРэад=109,4 кВт), то есть на 19%; экономия электрической энергии при применении АД с ИКРМ составляет 204 тыс. кВт-час в год. То есть каждый реконструированный традиционный асинхронный двигатель номинальной мощностью 55 кВт позволяет экономить в год до 17 тыс. кВт-час электроэнергии, или - 309 кВт-час на каждый киловатт установленной мощности. Таким образом, применение разработанных энергосберегающий асинхронных двигателей является высокоэффективным техническим решением, позволяющим повысить энергоэффективность электроприводов вентиляторных установок и обеспечить снижение электропотребления на 1820%.

Рис. 14. Рабочие характеристики электропривода нефтяного станка-качалки

Электропривод нефтяного станка-качалки. Разработаны и исследованы нерегулируемые электроприводы нефтяных станков-качалок. Были реконструированы традиционные асинхронные двигатели типа АИР-180-8, имеющие паспортные данные: Р„=18,5 кВт, и„=220/380 В, 1н=72,б/42 А, пн=735 об/мин., т|н=0,88, созфн=0,76, г|эн=0,67 на энергосберегающие асинхронные двигатели АИРК-180-8 Рн=18,5 кВт, пн=738 об/мин., и„=380 В, 1н=30,5 А, 1ко н=11 А, созф„=0,98-1,0, г)н=92%, г]э„=92%, Сф=30 мкФ. На рис. 14 приведены экспериментальные рабочие характеристики электропривода станка-качалки.

Исследования показали, что при работе без нагрузки АД с ИКРМ потребляет из электросети ток 5,1 А. Традиционный асинхронный двигатель АИР-180-8 потребляет из электросети при холостом ходе ток 25А. То есть, энергосберегающий асинхронный двигатель при холостом ходе потребляет ток в 5 раз меньше, чем традиционный двигатель. Номинальный КПД АИРК-180-8 (г)н=92%) превышает номинальный КПД традиционного двигателя (т]„=88%) на 4%. Это позволяет уменьшить потери электрической мощности в двигателе на 0,74 кВт и при коэффициенте использования качалки Ки=0,8 экономить 5,2 тыс. кВт-час электроэнергии в год. Энергетический КПД электропривода на основе АИРК-180-8 (тъ„=92%) превышает энергетический КПД традиционного двигателя (т1экгад=67%) на 25%. Это позволяет дополнительно уменьшить электрические потери в кабельной линии 0,4 кВ и силовом трансформаторе до 1,5 тыс. кВт-час в год. Таким образом, один электропривод нефтяного станка-качалки на основе АД с ИКРМ позволяет экономить в год не менее 7 тыс. кВт-час электроэнергии. Реконструкция электроприводов пяти станков-качалок позволила сэкономить 35 тыс. кВт-час в год. Каждый киловатт установленной мощности АД с ИКРМ, используемого в качестве электропривода нефтяного станка-качалки, позволяет экономить 360 кВт-час в год.

Полученные результаты подтверждают высокие энергосберегающие свойства электропривода на основе асинхронного двигателя АИРК-180-8 с индивидуальной компенсацией реактивной мощности. Кроме того, применение такого двигателя облегчает работу и увеличивает ресурс пускорегулирующей аппаратуры, так как двигатель имеет пусковой ток 2,25/„, что более чем в два раза меньше пускового тока ТАД АИР-180-8.

В шестой главе созданы и исследованы регулируемые электроприводы насосного агрегата и волочильного стана на основе АД с ИКРМ.

Электропривод насосного агрегата. На экспериментальной установке с электроприводами насосных агрегатов исследованы системы ПЧ-ТАД, ПЧ-АД с ИКРМ. На рис. 15, 16 представлены осциллограммы токов и частот вращения экспериментальных электроприводов, из них видно, что пусковые токи электропривода на основе АД с ИКРМ (7,2А) на 20% меньше токов ТАД (9 А). Установившийся ток АД с ИКРМ (1,9 А) меньше тока ТАД (2,3 А) на 17%.

Рис. 15. Токи электроприводов по системе ГТЧ-АД при пуске

Рис.16. Частоты вращения электроприводов по системе ПЧ-АД при пуске

В экспериментах с системой ПЧ-АД с ИКРМ в начале использовались емкости компенсирующих конденсаторов, рассчитанные для двигателя, питающегося от сети (С=0,5 мкФ), при этом наблюдался режим перекомпенсации реактивной мощности (созф=0,88, характер ЯС). Для получения желаемого созф=1,0 емкость компенсирующего конденсатора в системах ПЧ-АД с ИКРМ необходимо уменьшать до (0,5-^0,6)С.

Анализ осциллограмм частот вращения электроприводов, рис. 16, показывает: время разгона до установившейся частоты вращения электропривода

ПЧ-АД с ИКРМ (2,3 с) меньше времени разгона электропривода ПЧ-ТАД (2,9 с) на 0,6 с, что составляет 20,6%; установившаяся частота вращения ПЧ-АД с ИКРМ (2870 об/мин) выше, чем установившаяся частота вращения ПЧ-ТАД (2830 об/мин) на 1,4%. Это свидетельствует о большем пусковом моменте и более жесткой механической характеристике ПЧ-АД с ИКРМ.

Трогание электропривода в системе ПЧ-АД с ИКРМ происходит с ускорением 525 об/мин за 0,05 с, а трогание электропривода в системе ПЧ-ТАД - с ускорением 1050 об/мин за 0,02 с. То есть, ускорение системы ПЧ-АД с ИКРМ при трогании в 5 раз меньше, чем ускорение системы ПЧ-ТАД. Это благоприятно сказывается на работе насосного агрегата и трубопровода.

В осциллограммах токов электроприводов в системе ПЧ-ТАД, ПЧ-АД с ИКРМ наблюдается несинусоидальность. С помощью специализированного программного обеспечения Р1икеУ1е\у 8сореМе1ег V. 4.1 был выполнен гармонический анализ токов и напряжений. Анализ показал, что электроприводы на основе ПЧ-АД с ИКРМ имеют лучший состав частотного спектра токов, чем ПЧ-ТАД; спектр частот токов ПЧ-АД с ИКРМ с точки зрения электромагнитной совместимости лучше спектра частот ПЧ-ТАД; высшие гармоники в системе ПЧ-АД с ИКРМ ведут к уменьшению емкостного сопротивления компенсирующего конденсатора. Это приводит к увеличению тока компенсационной обмотки электропривода ПЧ-АД с ИКРМ почти в 2 раза (с 0,25 А для нерегулируемого электропривода до 0,55 А для регулируемого от ПЧ). Увеличение тока компенсационной обмотки АД с ИКРМ ведет к перекомпенсации реактивной мощности, поэтому в системе ПЧ-АД с ИКРМ величина емкости компенсирующего конденсатора должна быть скорректирована в сторону уменьшения с учетом гармонического состава токов двигателя.

Электропривод волочильного стана. Реконструирована существующая система электропривода волочильного стана 1ГОг8А 2500/3 ОАО «ММК-МЕТИЗ» с применением АД с ИКРМ с фазным ротором типа 8МКК 250-4, с номинальными данными: Рн=55 кВт, пн=1450 об/мин., ин=380 В, 11н=97 А, созфн=1,0, г|н=0,905, г)эн=0,9. На рис. 17 представлены осциллограммы электрических параметров электроприводов при пуске под нагрузкой.

1100.00 800.00

~ Напряжение сети, В

-г-—--1.....-у— Потребляемый ток ЭАД, А

/У Мощность, хО,1кВА

, , IV ч , . Г

- Потребляемый ток ТАД, А Мощность; хОЛкВА

Рис. 17. Осциллограммы напряжения, тока и мощности АД с ИКРМ (а) и ТАД (б) для одной фазы при пуске под нагрузкой

Анализ осциллограмм, рис. 17, показывает, что максимальные пусковые токи двигателей при пуске волочильного стана под нагрузкой составляют: для

АД с ИКРМ -500 А; для ТАД - 630 А. Максимальный пусковой ток АД с ИКРМ меньше пускового тока ТАД в 1,26 раза.

На рис. 18 представлены осциллограммы электрических параметров установившихся режимов работы электроприводов при нагрузке. Анализ осциллограмм позволяет сделать следующие выводы: в АД с ИКРМ сдвиг фаз между питающим напряжением и потребляемым током практически равен нулю; коэффициент мощности двигателя соз<р=1,0; действующее значение тока, потребляемого из электросети, равно 1]= 46 А; активная мощность составляет Р]=30,3 кВт; реактивная мощность практически отсутствует, <21=0. Полная мощность, потребляемая электродвигателем, 8=30,3 кВА. Коэффициент загрузки двигателя по активной мощности составляет 55%.

Рис.18. Осциллограммы напряжения, тока и мощности АД с ИКРМ (а) и ТАД

(б) для одной фазы при нагрузке

,

( Аналогичные показатели в ТАД: сдвиг фаз между питающим напряже-

нием и потребляемым током 30-31 эл. град., cos(p=0,86, Л= 64 А, Р,=36 кВт, £>/=21,75 кВАр. Полная мощность, потребляемая из сети, S=42 кВА, коэффи-| циент загрузки двигателя по активной мощности 65%.

Сравнительный анализ показателей работы электроприводов на основе ТАД и АД с ИКРМ под нагрузкой позволяет отметить следующее: ток АД с ИКРМ, потребляемый из электросети, в 1,4 раза меньше тока ТАД; коэффици-| ент мощности АД с ИКРМ равен 1,0, что на 16% больше коэффициента мощности ТАД; реактивная мощность АД с ИКРМ, потребляемая из электросети, равна нулю.

На рис. 19 представлены графики энергий, потребляемых электроприводами из электросети при пуске под нагрузкой. Из анализа графиков следует, что энергия, затрачиваемая АД с ИКРМ на пуск под нагрузкой (180 кДж), в 1,4 , раза меньше энергии, затрачиваемой ТАД (250 кДж), что свидетельствует о высокой энергоэффективности реконструированного электропривода.

Внедрение электроприводов с применением АД с ИКРМ с фазным рото-I ром на волочильном стане UDZSA 2500/3 позволило уменьшить удельный расход электрической энергии с 25 до 20 кВт-час/т. При годовом производстве I проволоки 8700 т на одном волочильном стане экономия электрической энергии составляет 43 тыс. кВт-час стоимостью 85 тыс. руб.

Для повышения энергоэффективности волочильных станов разработан вариант автоматизированных электроприводов с применением АД с ИКРМ с короткозамкнутым ротором и микропроцессорной системой управления. На рис. 20 представлена функциональная схема системы управления электроприводами. Отличительной особенностью разработанной системы электропривода является то, что она построена с применением одного ТРН для поочередного пуска четырех двигателей (3 блока + моталка) с дальнейшей передачей их для работы от электросети. Другим отличительным признаком является то, что в этой системе электропривода ток компенсационной обмотки статора АД с ИКРМ регулируется блоком коррекции в функции тока рабочей обмотки изменением или величины емкости компенсирующего конденсатора или изменением электрических схем подключения обмоток статора и конденсатора. Это позволяет при нагрузках меньше 0,5Р2н увеличить энергетический КПД электропривода на 8-15%.

Режим волочения

1 ПУСК 1 |ОСТАНОВ )

® ® <5 @

Толчковый _ режим _

® О

I Аварийный I

I останов I

о- 3 £

О Я S

-е- о. о

-А

-I/

Блок аварийной остановки Блок датчиков Блок ТРН

коррекции

8

4 1

Рис. 20. Функциональная схема системы управления электроприводами волочильного стана

Таким образом, замена асинхронных двигателей с фазным ротором на двигатели с короткозамкнутым ротором с индивидуальной компенсацией реак-

40.00 \..........................——-------^SS^ji _.....| 40.03

20,00 0.03

0.60 0,60 1,00 1.20 1.40 1.S0 1.60 2.03 2.20 0.60 0,80 1.CÖ 1,20 1.40 1,60 1,60 2,00 2.20

Рис.19. Графики энергий, потребляемых из электросети АД с ИКРМ (а) и ТАД (б) для одной фазы при пуске под нагрузкой

тивной мощности и регулирование тока компенсационной обмотки в функции нагрузки (тока рабочей обмотки) позволяет повысить энергоэффективность волочильных станов.

В седьмой главе выполнен расчет экономической эффективности электроприводов промышленных установок, созданных на основе применения АД с ИКРМ.

Оценка экономического эффекта основана на известном подходе, заключающемся в определении потерь электрической энергии и затрат на реализацию вариантов технических решений, отличающихся тем, что потери электрической энергии определяются с учетом энергетических КПД вариантов электроприводов, силовых трансформаторов и их коэффициентов загрузки, коэффициента использования промышленной установки, а затраты - с учетом удорожания стоимости АД с ИКРМ на 15-22% из-за применения компенсирующих конденсаторов, дополнительного кабеля для их подключения и увеличения трудозатрат на их изготовление и монтаж. На рис. 21 приведены основные экономические показатели вариантов повышения энергоэффективности электроприводов одного из участков волочильного цеха ОАО «ММК-МЕТИЗ» в зависимости от коэффициента использования оборудования Ки. Вариант 1 -работа электроприводов без компенсаторов реактивной мощности (КРМ); вариант 2 - КРМ подключен параллельно к электроприводу на основе ТАД; вариант 3 - КРМ подключен на шины ТП; вариант 4 - КРМ подключен на РП каждого волочильного стана; вариант 5 - электроприводы с применением АД с ИКРМ.

Д\Л/, кВгчас

а) б)

Рис. 21. Экономические показатели вариантов технических решений повышения энергоэффективности электроприводов волочильных станов: а) потери электроэнергии; б) срок окупаемости

В ходе выполнения исследований были реконструированы электроприводы для различных промышленных установок. В таблице 1 приведены экономические показатели некоторых внедренных электроприводов с применением АД с ИКРМ.

Таблица 1 - Экономические показатели внедренных электроприводов с применением АД с ИКРМ_'__

Механизм, Количество Установ- Экономический эффект

мощность Рн АД с ИКРМ, шт. ленная мощность, кВт кВт-час тыс. рублей

Электроприводы нефтяного станка-качалки, Р„=18,5 кВт 130 2405 865800 1731

Электропривод насоса теплового пункта, Р„=22 кВт 18 396 118800 237

Электропривод вентилятора градирни, Р„=55 кВт 12 660 203280 406

Электропривод насоса теплогенератора, Р„=55 кВт 2 110 55000 110 (ожидаемый)

Электропривод волочильного стана, Рн=55 кВт 3 165 42500 85

Электроприводы насосов систем холодного и горячего водоснабжения, Рн=7,5 кВт, Р„=22 кВт 30; 50 1325 795000 1240 (ожидаемый)

Освоили изготовление двигателей (по заказу потребителей): ДАТ 126 Р2н=0,25 кВт (электропривод вентилятора для ТП); АИР71-В2УЗ Р2н=1,1 кВт (общепромышленные двигатели) ОАО «Электромашина», г.Челябинск; АИМЛ 71-В2 Р2„=0,55 кВт (электропривод насоса АЗС) ОАО «СЭГЗ»

В целом проведенные исследования доказывают, что внедрение АД с ИКРМ в электроприводах широкого класса промышленных установок, объектов нефтегазового комплекса, ЖКХ и др. обеспечивает экономию электрической энергии в пределах 7-12%, при этом срок окупаемости капитальных вложений и затрат на реконструкцию электропривода составляет от 0,2 до 1,2 года.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

1. Научно обоснована и экспериментально подтверждена возможность улучшения показателей энергоэффективности электроприводов промышленных установок путем модернизации электромагнитной схемы асинхронного двигателя и индивидуальной компенсации реактивной мощности непосредственно в электромагнитной системе электрической машины.

2. Разработана, создана и исследована новая конструкция асинхронного двигателя с индивидуальной компенсацией реактивной мощности, обеспечивающая лучшие показатели энергоэффективности, по сравнению с традиционными асинхронными двигателями, за счет размещения на статоре двух трехфазных обмоток, одна из которых подключается к электросети, а другая - на трехфазный конденсатор определенной емкости. При рациональных электромагнитных схемах и соотношениях параметров обмоток, конденсатора и магнитной системы разработанная конструкция асинхронного двигателя позволяет, в зависимости от номинальной мощности, уменьшить потребляемые ток и полную мощность на 8-24%, увеличить соБф до единицы, электрический КПД на 0,5-1,5%, энергетический КПД на 10-16%.

3.Разработана методика электромагнитного расчета асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности и электроприводов на их основе, которая совершенствует и расширяет возможности известной методики расчета традиционных асинхронных двигателей, построения механических и энергетических характеристик при различной нагрузке электроприводов. Это достигается за счет использования нового критерия расчета двигателя (шах Г1э„=тусозф), новых зависимостей, определяющих линейную токовую и тепловую нагрузки статора, емкость компенсирующего конденсатора, а также новых электромагнитных схем электрической машины, обусловленных ее конструкцией.

4. Разработана и реализована технология изготовления асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности, адаптированная к технологии изготовления традиционных асинхронных двигателей. Предложены методика испытания и схемы стендов для получения рабочих и механических характеристик двигателей и электроприводов. Это позволяет электромашиностроительным и электроремонтным предприятиям на имеющемся технологическом оборудовании производить энергосберегающие общепромышленные асинхронные двигатели.

5. Разработаны математические модели, описывающие работу электроприводов на основе асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности, позволяющие в полном объеме проводить исследования электромеханических и тепловых характеристик в статических и динамических режимах при различном характере нагрузки электропривода. Математические модели отличаются от известных тем, что учитывают новые конструктивные признаки двигателя.

6. Разработаны методика, алгоритм и программа для ЭВМ, позволяющие на этапе проектирования электроприводов рассчитывать ожидаемые показатели энергоэффективности различных систем электроприводов на основе применения асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности и обоснованно принимать решение о технико-экономической целесообразности вариантов технических решений.

7. Разработаны способ и устройство управления электроприводом на основе АД с ИКРМ при его работе без нагрузки или с нагрузкой меньше оптимальной, обеспечивающие получение наилучшего энергетического КПД путем управления током компенсационной обмотки статора в функции тока рабочей обмотки статора либо изменением величины емкости компенсирующего конденсатора, либо переключением электрических схем соединения обмоток статора и конденсатора, либо одновременным изменением емкости конденсатора и переключением электрических схем соединения обмоток статора и конденсатора. Разработка позволяет при неоптимальных нагрузках двигателя в области (0,25-0,5)Р2„ увеличить энергетический КПД на 8-15%, в области (0,5-0,75)Р2„ - на 1,5-3,0%.

8. В результате теоретических и экспериментальных исследований регулируемых электроприводов на основе АД с ИКРМ, выполненных по системам ПЧ-АД, ТРН-АД, подтверждены их работоспособность, выполнение требуемых динамических показателей и улучшение энергетических характеристик.

9. В результате промышленного внедрения электроприводов на базе разработанных АД с ИКРМ в промышленных установках, на объектах нефтегазового комплекса, ЖКХ и др., подтверждены высокая эффективность использования разработанного асинхронного двигателя и снижение потерь электрической энергии в среднем на 7-12%, при этом срок окупаемости капитальных вложений и затрат на реконструкцию составляет от 0,2 до 1,2 года.

Применение результатов научной работы позволило реконструировать и создать более 150 энергосберегающих асинхронных электроприводов. Экономия электрической энергии за счет повышения энергоэффективности электроприводов конкретных промышленных установок составляет более 3,5 млн. кВт-час, что в денежном выражении соответствует 6 млн. рублей в год.

Полученные в диссертационной работе результаты рекомендуются для расширенного промышленного внедрения, а также для использования в учебном процессе при подготовке и повышении квалификации специалистов электротехнических направлений. В целом, работа имеет существенное значение для инновационного развития отечественной электротехнической отрасли.

Публикации автора по теме диссертации Научные статьи, опубликованные в изданиях по списку ВАК:

1. Мугалимов Р.Г., Харченко Г.Н. Попов В.К. Об экономии электроэнергии в прокатном производстве // Промышленная энергетика. 1980. №1. С. 8-9.

2. Пат. 2112307 RU, МКИ 6 Н02 к 17/28. Асинхронная компенсированная электрическая машина. Савицкий A.JI., Мугалимов Р.Г., Савицкая Л.Д.// Открытия. Изобретения. 1998г. №15.

3. Мугалимов Р.Г., Губайдуллин А.Р., Мугалимова А.Р. Экспериментальные исследования электроприводов волочильного стана на основе энергосберегающих асинхронных двигателей // Изв. вузов. Электромеханика. 2009. №1. С. 43-47.

4. Мугалимов Р.Г., Губайдуллин А.Р., Кретов C.B., Мугалимова А.Р. Опыт создания энергосберегающих электроприводов волочильных станов // Промышленная энергетика. 2009. №7. С. 11-15.

5. Мугалимов Р.Г., Губайдуллин А.Р., Мугалимова А.Р. Электроприводы на основе асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности для волочильных станов // Электротехника. 2009. №10. С. 2228.

6. Мугалимов Р.Г., Косматов В.И., Мугалимова А.Р. Исследование электропотребления и энергоэффективности насосных агрегатов на основе энергосберегающих асинхронных двигателей, // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 3: в 5 ч. Тула: Изд-во ТулГУ. 2010. Ч. 4. С. 65-71.

7. Мугалимов Р.Г. Мугалимова А.Р. Определение емкости компенсирующего конденсатора асинхронного двигателя с индивидуальной компенсацией реактивной мощности (статья) // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 3: в 5 ч. Тула: Изд-во ТулГУ. 2010. Ч. 4. С. 115-120.

8. Мугалимов Р.Г. Математическая модель энергосберегающего индивидуально-компенсированного асинхронного двигателя. Известия вузов. Электромеханика. 2004. №2. С. 69-73.

9. Мугалимов Р.Г. Концепция повышения энергоэффективности асинхронных двигателей и электроприводов на их основе. // Вестник МГТУ. 2011. №1. С. 59-63.

10. Мугалимов Р.Г. Мугалимова А.Р. Моделирование показателей энергоэффективности вариантов электроприводов промышленных установок на основе применения традиционных и компенсированных асинхронных двигателей // Вестник МГТУ. 2011. №2. С. 70-75.

11. Мугалимов Р.Г. Моделирование энергоэффективности электроприводов насосных агрегатов на основе асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности. // Приводная техника. 2011. №1. С. 39.

12. Мугалимов Р.Г. Экспериментальные исследования энергоэффективности нерегулируемых электроприводов насосных агрегатов на основе асин-

хронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности. // Приводная техника, 2011. №2. С. 2-8.

Публикации в других изданиях:

13.Мугалимов Р.Г. Асинхронные двигатели с индивидуальной компенсацией реактивной мощности и электроприводы на их основе: Монография. -Магнитогорск: МГТУ. 2011. 250 с.

М.Мугалимов Р.Г., Мугалимова А.Р. К проектированию энергосберегающего асинхронного двигателя с индивидуальной компенсацией реактивной мощности. // Электромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляемые энергомеханические системы: труды III Международной научно-технической конференции. Екатеринбург: УГТУ-УПИ. 2007. С. 77-80.

15.Мугалимов Р.Г., Косматов В.И., Мугалимова А.Р. Метод и алгоритм проектирования компенсированного энергосберегающего асинхронного двигателя. // Сборник материалов V Международной (XVI Всероссийской) научной конференции: 18-21 сентября 2007 г. - Санкт-Петербург. 2007. С. 281-284.

16. Мугалимов Р.Г., Косматов В.И., Мугалимова А.Р. Автоматизированные электроприводы на основе асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности для систем холодного и горячего водоснабжения городов. // Электромеханика. Электротехнологии. Электротехнические материалы и компоненты: XII-я Международная конференция. Труды МКЭЭЭ - 2008. -Крым, Алушта. 2008 г. С. 209.

17. Мугалимов Р.Г., Мугалимова А.Р. К определению оптимальной емкости компенсирующего конденсатора для энергосберегающего асинхронного электропривода. // Материалы 66-й научно-технической конференции: Сб. докл. - Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ». 2008. Т. 2. С. 50-53.

18. Мугалимов Р.Г., Косматов В.И., Мугалимова А.Р. К определению параметров схемы замещения компенсированного асинхронного двигателя при его создании путем реконструкции из традиционного двигателя. // Электротехнические системы и комплексы. Межвуз. сб. науч. трудов. Выпуск №15. Под ред. Радионова A.A. - Магнитогорск: МГТУ. 2009. С. 67-76.

19. Мугалимов Р.Г. Асинхронные двигатели с индивидуальной компенсацией реактивной мощности и методика их электромагнитного расчета // 7-ая международная науч.-техн. конференция «ЭЛМАШ-2009» 22-24 сентября 2009 г. - Москва. 2009. С. 149-154.

20. Селиванов И.А., Карандаев A.C., Сарваров, Мугалимов Р.Г., Головин

B.В. Энергосбережение в электроприводах металлургического производства. // Энергосбережение средствами электропривода. Доклады научно-метадического семинара 01.02.2011 года. - М.: Издательский дом МЭИ. 2011.

C. 43-56.

21. Мугалимов Р.Г., Губайдуллин А.Р., Мугалимова А.Р. Методика расчета емкости компенсирующего конденсатора для асинхронного двигателя с индивидуальной компенсацией реактивной мощности. // Электротехнические

системы и комплексы: Межвузовский сб. науч. трудов. Выпуск №16. - Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ». 2009. С. 168-177.

22.Мугалимов Р.Г., Косматов В.И., Мугалимова А.Р. К определению параметров схемы замещения компенсированного асинхронного двигателя при его создании путем реконструкции из традиционного двигателя // Электротехнические системы и комплексы: Межвузовский сб. науч. трудов. Выпуск №16. - Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ». 2009. С. 90-99.

23.Мугалимов Р.Г., Губайдуллин А.Р., Мугалимова А.Р. Обоснование целесообразности создания энергосберегающих электроприводов на основе асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности // Материалы 67-й научно-технической конференции: Сб. докл. Т.2. -Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ». 2009. С. 90-93.

24.Мугалимов Р.Г., Гуркин М.А., Мугалимова А.Р. Исследование магнитного поля, рабочих и механических характеристик асинхронного двигателя при питании от несимметричного источника напряжения // Материалы 67-й научно-технической конференции: Сб. докл. Т.2. -Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ». 2009. С. 74-77.

25. Мугалимов Р.Г., Косматов В.И., Мугалимова А.Р. К определению параметров схемы замещения компенсированного асинхронного двигателя при его создании путем реконструкции из традиционного двигателя // Электротехнические системы и комплексы. Межвузовский сб. науч. трудов. Выпуск №15. Под ред. Радионова A.A. - Магнитогорск: МГТУ. 2009. С. 67-76.

26. Мугалимов Р.Г. Общепромышленные энергосберегающие асинхронные двигатели с индивидуальной компенсацией реактивной мощности II Инновационные проекты. Семинар «Устойчивая энергетика и инвестиции». - Челябинск: Челябинский центр научно-технической информации. 2009. С. 2-10.

27. Мугалимов Р.Г., Губайдуллин А.Р., Мугалимова А.Р. Экспериментальные исследования электроприводов волочильного стана на основе энергосберегающих асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности // Электроэнергетика и автоматизация в металлургии и машиностроении: Сб. докладов Международной конференции. - Магнитогорск. 2008. С. 75-86.

28. Мугалимов Р.Г., Губайдуллин А.Р., Мугалимова А.Р. Энергосберегающие асинхронные двигатели с индивидуальной компенсацией реактивной мощности и электроприводы на их основе // Инновационные достижения и решения для совершенствования технологических процессов на предприятиях горно-металлургического комплекса: Сб. тезисов докл. I международной научно-технической конференции «ИНТЕХМЕТ-2008». - СПб. 2008. С.25-26.

29. Мугалимов Р.Г., Губайдуллин А.Р. Экспериментальные исследования энергосберегающего электропривода волочильного стана UDZSA-2500/3 // Материалы 66-й научно-технической конференции: Сб. докл. - Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ». 2008. Т. 2. С. 47-50.

30. Мугалимов Р.Г., Мугалимова А.Р. Энергосберегающие электроприводы на основе асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией ре-

активной мощности // Электромеханика. Электротехнологии. Электротехнические материалы и компоненты: ХИ-я Международная конференция. Труды МКЭЭЭ -2008. -Крым, Алушта. 2008. С. 217.

31.Мугалимов Р.Г., Мугалимова А.Р. К проектированию асинхронного двигателя с индивидуальной компенсацией реактивной мощности // Электротехнические системы и комплексы: Межвузовский сб. науч. трудов. Вып. 14. Под ред. A.C. Сарварова. -Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ». 2007. С. 121130.

32. Мугалимов Р.Г., Губайдуллин А.Р. Энергосберегающий асинхронный электропривод волочильного стана UDZSA 2500-3 // Тезисы докладов международной научно-технической конференции молодых специалистов. -Магнитогорск: ОАО «ММК». 2007. С. 120-122.

33. Мугалимов Р.Г., Мугалимова А.Р. Электроприводы на основе компенсированных энергосберегающих асинхронных двигателей // Сборник материалов 5-й Международной (16-й Всероссийской) научной конференции. -СПб. 2007. С. 284-287.

34. Мугалимов Р.Г., Губайдуллин А.Р. Исследование энергосберегающих свойств асинхронных электроприводов волочильного стана UDZSA 2500-3 // Электротехнические системы и комплексы: Межвузовский сб. науч. трудов. Вып. 13. Под ред. С.И. Лукьянова. -Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ». 2006. С. 156-161.

35. Мугалимов Р.Г. Энергосберегающий асинхронный двигатель с индивидуальной компенсацией реактивной мощности // Электротехнические системы и комплексы: Межвузовский сб. науч. трудов. Вып. 13. Под ред. С.И. Лукьянова. - Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ». 2006. С. 306.

36. Мугалимов Р.Г., Мугалимова А.Р. Энергосберегающий электропривод нефтяного станка-качалки на основе асинхронного двигателя с индивидуальной компенсацией реактивной мощности // Электромеханические преобразователи энергии: Материалы Международной науч.-техн. конф. -Томск: ТПУ. 2005. С. 196-199.

37. Мугалимов Р.Г., Мугалимова М.Р., Мугалимова А.Р. Исследование энергосберегающих свойств, рабочих и механических характеристик электроприводов на основе асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности // Материалы 63-й научно-технической конференции по итогам научно-исследовательских работ за 2003-2004 г.г. Сб. докл. Т.2. - Магнитогорск: МГТУ. 2004. С. 114-117.

38. Мугалимов Р.Г., Мугалимова А.Р. К вопросу экспресс оценки энергосберегающих свойств, рабочих и механических характеристик асинхронных двигателей // Электротехнические системы и комплексы: Межвузовский сб. науч. трудов Вып. 9. Под ред. С.И. Лукьянова, Д.В. Швидченко. -Магнитогорск: МГТУ. 2004. С. 174-184.

39. Мугалимов Р.Г., Губайдуллин А.Р. Электропривод прокатно-волочильного стана на основе энергосберегающих асинхронных двигателей //

Тезисы докладов международной научно-технической конференции молодых специалистов ОАО «ММК». - Магнитогорск: ОАО «ММК». 2004. С. 81-82.

40. Мугалимов Р.Г., Ремезов Ю. П., Юсупов P.M. Подсистема автоматизированного проектирования энергосберегающих асинхронных электрических двигателей // Новые программные средства для предприятий Урала. Вып. 3: Сб. трудов Регион. Науч. техн. конф. - Магнитогорск: МГТУ. 2004. С. 38-42.

41. Мугалимов Р.Г., Мугалимова М.Р., Мугалимова А.Р. Электрическая схема замещения энергосберегающего асинхронного двигателя с индивидуальной компенсацией реактивной мощности // Молодежь. Наука. Будущее. Вып. 2: Сб. науч. трудов. -Магнитогорск: МГТУ. 2004. С. 239-245.

42. Мугалимов Р.Г., Мугалимова М.Р., Мугалимова А.Р. Исследование рабочих, механических и энергосберегающих свойств асинхронного электропривода И Молодежь. Наука. Будущее. Вып. 2: Сб. науч. трудов. -Магнитогорск: МГТУ. 2004. С. 245-249.

43. Мугалимов Р.Г., Мугалимова А.Р. Общепромышленный энергосберегающий асинхронный двигатель с индивидуальной компенсацией реактивной мощности // Перспективы и тенденции развития электротехнического оборудования: Труды симпозиума «ЭЛМАШ-2004». Т. 2. - М.: «Интерэлектромаш». 2004. С. 129-133.

44. Мугалимов Р.Г., Губайдуллин А.Р. К вопросу выбора мощности электродвигателя волочильного стана // Молодежь. Наука. Будущее: Сб. науч. трудов. Вып. 2 / Под ред. JI.B. Радионовой. - Магнитогорск: МГТУ. 2004. С. 249252.

45. Мугалимов Р.Г., Губайдуллин А.Р. Компенсированные асинхронные двигатели и их технико-экономические преимущества // Тезисы докладов Международной научно-технической конференции молодых специалистов, инженеров и техников ОАО «ММК». - Магнитогорск. 2003. С. 54-56.

46. Мугалимов Р.Г., Савицкий А.Л., Савицкая Л.Д. Характеристики двигательного и генераторного режимов индивидуально компенсированной асинхронной машины // Электромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляемые электромеханические системы: Вестник Уральского государственного технического университета - УПИ. Ч. 1. - Екатеринбург. 2003. С. 159-162.

47. Мугалимов Р.Г., Мугалимова А.Р., Горбунов C.B. Компьютерное моделирование магнитодвижущей силы и энергетических показателей энергосберегающих асинхронных двигателей // Материалы 62-й научно-технической конференции по итогам научно-исследовательских работ за 2002-2003 гг. Сб. докл. Т. 2 / Под ред. Г.С. Гуна. -Магнитогорск: МГТУ. 2003. С. 110-113.

48. Мугалимов Р.Г., Ремезов Ю. П., Юсупов P.M. Программно-компьютерная подсистема САПР для инженерного расчета, оптимизации,, исследования и конструирования энергосберегающих асинхронных двигателей // Материалы 62-й научно-технической конференции по итогам научно-исследовательских работ за 2002-2003 гг. Сб. докл. Т. 2 / Под ред. Г.С. Гуна. -Магнитогорск: МГТУ. 2003. С. 106-110.

49. Мугалимов Р.Г., Ремезов Ю. П., Юсупов P.M. К вопросу проектирования энергосберегающих асинхронных электроприводов рабочих машин // Материалы 62-й научно-технической конференции по итогам научно-/ исследовательских работ за 2002-2003 гг. Сб. докл. Т. 2 / Под ред. Г.С. Гуна. -Магнитогорск: МГТУ. 2003. С. 104-106.

50. Мугалимов Р.Г., Губайдуллин А.Р. Линейная математическая модель энергосберегающего индивидуально компенсированного двигателя // Материалы 62-й научно-технической конференции по итогам научно-исследовательских работ за 2002-2003 гг. Сб. докл. Т. 2 / Под ред. Г.С. Гуна. -Магнитогорск: МГТУ. 2003. С. 100-103.

51. Мугалимов Р.Г., Губайдуллин А.Р. Индивидуально компенсированные асинхронные двигатели и их технико-экономические преимущества // Электротехнические системы и комплексы: Межвуз. сб. науч. трудов. Вып. 7 / Под ред. A.C. Карандаева, К.Э Одинцова. -Магнитогорск: МГТУ. 2002. С. 305314.

52. Мугалимов Р.Г., Савицкий А.Л., Савицкая Л.Д. Электрическая асинхронная компенсированная машина. Способы и электронные устройства управления асинхронной компенсированной машиной // Инновации. Информационно-аналитический сборник. Материалы международной выставки-ярмарки и Конференции «Инновации-98» / Под ред. В.Ш. Каганова, Ю.М. Прохоцкого, A.B. Толоконникова. - М.: ВВЦ. 1998. С. 16-17.

53. Мугалимов Р.Г., Савицкий А.Л., Савицкая Л.Д. Асинхронная компенсированная машина - активный преобразователь электрической энергии в механическую и одновременно регулируемый источник реактивной мощности для повышения эффективности электрических сетей промышленных предприятий // Инновации. Информационно-аналитический сборник. Материалы международной выставки-ярмарки и Конференции «Инновации-98» / Под ред. В.Ш. Каганова, Ю.М. Прохоцкого, A.B. Толоконникова. - М.: ВВЦ. 1998. С. 14-15.

Формат 60x84 1/16. Тираж 100 экз.

Подписано в печать 4.05.2011. Плоская печать. Усл.печ.л. 2,0.

455000, Магнитогорск, пр. Ленина, 38 Полиграфический участок ГОУ ВПО «МГТУ»

Бумага тип.№ 1. Заказ 351.

Введение.

Глава 1. Анализ показателей энергоэффективности традиционных асинхронных двигателей и электроприводов промышленных установок,созданных на их основе

1.1 [Традиционный асинхронный двигатель как преобразователь электрической энергии в механическую.

1.1.1 Конструктивные элементы традиционной асинхронной машины.

1.1.2 Критерии и методика проектирования традиционных асинхронных двигателей.

1.1.3 Показатели энергоэффективности традиционных асинхронных двигателей

1.1.4 Анализ парка традиционных асинхронных двигателей промышленных предприятий.

1.2 . Математические модели и характеристики электроприводов на основе традиционных асинхронных двигателей.

1.2.1 Статические модели электроприводов на основе традиционных асинхронных двигателей.

1.2.2 Динамические модели традиционных асинхронных двигателей.

1.3 Анализ энергоэффективности систем электроприводов промышленных установок на основе применения традиционных асинхронных двигателей.

1.3.1 Система электроприводов на основе асинхронных двигателей с фазным ротором с релейно-контакторной схемой управления.

1.3.2 Системы асинхронных электроприводов ПЧ-АД.

1.3.3 Система электроприводов на основе асинхронных двигателей с ТРН,ТПН.

1.3.4 Система электроприводов на основе асинхронных двигателей с фазным ротором синхронизированных с сетью.

1.4 Анализ технических решений по повышению показателей энергоэффективности традиционных асинхронных двигателей и электроприводов на их основе.

1.4.1 Обзор технических решений по повышению КПД традиционных асинхронных двигателей.

1.4.2 Обзор технических решений по повышению коэффициента мощности асинхронных двигателей.

1.5 Обоснование концепции, задач диссертационной работы и методик исследования

Глава 2. Разработка новых асинхронных электродвигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности.

2.1 ; Новые конструктивные решения в асинхронных электродвигателях при индивидуальной компенсации реактивной мощности.

2.1.1 Обоснование возможности компенсации реактивного индуктивного тока и реактивной мощности в асинхронном двигателе с двумя обмотками на статоре.

2.1.2 Электромагнитные схемы асинхронного двигателя с индивидуальной компенсацией реактивной мощности.

2.2 I Разработка схемы замещения асинхронного двигателя с индивидуальной компенсацией реактивной мощности.

2.3 .Обоснование методики расчета линейной токовой и тепловой нагрузок статора асинхронного двигателя с индивидуальной компенсацией реактивной мощности.

2.4 ! Определение технически рационального соотношения параметров намагничивающей ветви и компенсационной обмотки в асинхронном двигателе с индивидуальной компенсацией реактивной мощности.

2.5 Расчет емкости компенсирующего конденсатора для асинхронного двигателя с индивидуальной компенсацией реактивной мощности.

Глава 3. Создание методики проектирования, технологии изготовления и экспериментальных исследований асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности.

3.1 Обоснование критериев, разработка алгоритма и методики электромагнитного расчета асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности.

3.2 ¡Разработка алгоритма и методики расчета обмоточных данных, асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности при их создании путем реконструкции традиционных асинхронных двигателей.

3.3 Особенности технологии создания асинхронных двигателей с индивидуальной » компенсацией реактивной мощности.

3.4 і Разработка методики испытаний создаваемых асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности.

Глава 4. Разработки математических моделей для оценки статических и динамических характеристик асинхронных двигателеи с индивидуальной компенсацией реактивной мощности.

4.1 ¡Разработки математических моделей для оценки статических характеристик асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности.

4.2 Разработка математических моделей для оценки динамических характеристик асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности

4.3 Разработка математических моделей для оценки статических и динамических тепловых режимов асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности.

4.4 і Исследование характеристик асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности методом математического моделирования.

4.5 1 Экспериментальные исследования характеристик асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности.V.

4.6 Разработка методики и алгоритма моделирования показателей энергоэффективности электроприводов промышленных установок, созданных на основе применения ТАД и АД с ИКРМ.

Глава 5. Создание и исследование нерегулируемых электроприводов промышленных установок на основе асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности.

5.1 ¡Повышение энергоэффективности электропривода нефтяного станка-качалки путем применения асинхронного двигателя с индивидуальной компенсацией реактивной мощности.

5.1.1 Разработка АД с ИКРМ для электропривода нефтяного станка-качалки.

5.1.2 Экспериментальные исследования энергосберегающего асинхронного двигателя с индивидуальной компенсацией реактивной мощности нерегулируемого электропривода нефтяного станка-качалки.

5.2 Повышение энергоэффективности электропривода вентилятора градирни путем применения асинхронного двигателя с индивидуальной компенсацией реактивной мощности.

5.2.1 Результаты электромагнитного расчета энергосберегающего асинхронного двигателя с индивидуальной компенсацией реактивной мощности для электроприводов вентиляторов градирни.

5.2.2 Экспериментальные исследования энергосберегающего асинхронного двигателя с индивидуальной компенсацией реактивной мощности для электроприводов вентиляторов градирни.

5.3 Повышение энергоэффективности нерегулируемого электропривода насосного агрегата путем применения асинхронного двигателя с индивидуальной компенсацией реактивной мопщости.

5.3.1. Разработка математического описания установившихся режимов нагрузок и электропотребления электроприводов насосных агрегатов на основе применения АД с ИКРМ иТАД.

5.3.2 Моделирование режимов электропотребления асинхронных электроприводов насосных агрегатов. Анализ результатов моделирования.

5.3.3 Разработка и создание экспериментальных электроприводов на основе АД с

ИКРМ и ТАД насосного агрегата.

Глава 6. Создание и исследование регулируемых электроприводов промышленных установок на основе асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности.

6.1 .Повышение энергоэффективности регулируемого электропривода насосного агрегата по системе «ПЧ-АД с ИКРМ».

6.2 і Повышение энергоэффективности электроприводов волочильных станов путем применения асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности.

6.2.1 Исследование потерь электроэнергии в системе электроснабжения волочильного производства.

6.2.2 Разработка и исследование асинхронного двигателя с индивидуальной компенсацией реактивной мощности для электропривода волочильного стана.

6.2.3 Экспериментальные исследования электроприводов на основе АД с ИКРМ при;холостом ходе волочильного стана.

Глава; 7. Экономическая эффективность электроприводов промышленных установок, созданных на основе асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности.

Актуальность темы. Эффективное использование энергоресурсов и в первую 1 очередь электрической энергии является одним из приоритетных направлений развития современной мировой экономики. В Российской Федерации наблюдаются i непрерывный рост потребления невосполнимых углеводородных энергоресурсов и I увеличение стоимости электрической энергии, производимой на их основе. Только j за период 2000-2010 г.г. стоимость электрической энергии возросла в четыре раза. Это обостряет проблему энергосбережения, поскольку доля стоимости электроэнергии в стоимости товарного продукта возрастает, что ведет к снижению конкурентной способности товарного продукта и темпа экономического развития страны. I

На эффективное электропотребление направлены Федеральный закон 261-ФЗ от 23.11.2009 г. «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности.» и Государственная программа Российской Федерации «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2020 года», предусматривающая при росте объемов производства товарной продукции снижение энергоемкости до 20% [1, 2].

Во всех отраслях промышленности, в сельском хозяйстве для вращения рабочих машин и механизмов используются электроприводы, созданные на основе применения традиционных асинхронных двигателей (ТАД), номинальным напряжением 220/380 В. Эти электродвигатели являются самыми массовыми потребителями электрической энергии. По экспертным оценкам на предприятиях РФ используются от 120 до 150 млн. единиц ТАД. Повсеместное применение ТАД обусловлено их высокой надежностью, сравнительно низкой стоимостью и приемлемыми эксплуатационными расходами. До 70% ТАД сосредоточено в энергоемких отраслях: горно-, нефте-, газодобывающей, металлургической, строительной и жилищно-коммунальном хозяйстве. Только в системах жизнеобеспечения городов России асинхронные электроприводы насосных агрегатов потребляют в год до 130 млрд. кВт-час электрической энергии. Например, на каждом крупном металлургическом предприятии, таком как ОАО «ММК» г. Магнитогорск), ОАО «НЛМК» (г. Липецк), ОАО «Северсталь» (г. Череповец), i установленная мощность ТАД напряжением 220/380, 380/660 В, мощностью от 1 до 100 кВт составляет от 70 до 120 МВт, в том числе, 30-40 МВт - электроприводы турбомеханизмов.

Асинхронными электроприводами потребляется 55-60% вырабатываемой в РФ электрической энергии. Главными показателями энергоэффективности j электроприводов на основе ТАД являются: потребляемый из электросети ток (Ii), электрический КПД (г|э), коэффициент МОЩНОСТИ (coscp), энергетический КПД (Пэн), расход электроэнергии на единицу выпускаемой продукции (wy - удельный расход).

Главным недостатком ТАД является невысокий coscp, который не превышает 0,8!

0,92. Для ТАД величина потребляемого тока на 25-40% определяется индуктивной реактивной и на 60-75% активной составляющими. Реактивная составляющая тока j возбуждает вращающееся магнитное поле двигателя. Энергия магнитного^ поля в f механическую энергию не преобразуется. В наилучших режимах работы ТАД, при электрическом КПД 80-92% и coscp=0,8-0,9, энергетический КПД составляет 64-83%. При неоптимальных нагрузках энергетический КПД снижается до 52-70%. Реактивный ток создает в системе электроснабжения и электроприводе падение напряжения, вызывает непроизводительные потери активной мощности. Даже при наилучших режимах работы ТАД теряется 9-16% (0,09-0,16 o.e.) электрической энергии из-за сравнительно низкого coscp, что снижает энергоэффективность электропривода.

Учитывая масштабы применения ТАД, их средний коэффициент загрузки (К3=0,75), коэффициент использования технологического оборудования (Ки=0,6), коэффициент потерь из-за реактивных токов (Kq=0,09-0,16), только по трем крупнейшим металлургическим комбинатам РФ, установленная мощность двигателей которых около 210-360 МВт, потери электрической энергии в год составляют 75-128 млн. кВт-час.

Одной из причин невысокого энергетического КПД ТАД является их конструктивная особенность — наличие электротехнической стали и катушек индуктивности обмоток электрической машины, а также проектирование и изготовление их по критерию минимума затрат, выгодной только для j производителя. При этом производитель полагает, что компенсацию реактивной мощности ТАД потребитель осуществит самостоятельно за счет эксплуатационных 1 затрат. Зарубежные фирмы (AEG, ABB) производят энергосберегающие ТАД, увеличивая массу активных материалов - меди и электротехнической стали. Однако t это ведет к существенному удорожанию двигателя. Из их опыта известно, что увеличение КПД на несколько процентов ведет к увеличению меди на 20-25%, алюминия на 10-15%, электротехнической стали на 30-35%. Увеличение электрического КПД ТАД сопровождается некоторым снижением его номинального г coscp. |В конечном итоге энергетический КПД увеличивается незначительно или t сохраняется на первоначальном уровне.

Вопросам повышения энергоэффективности электроприводов промышленных предприятий посвящены работы многих отечественных научных школ, а также известных ученых в области электромашиностроения, электроэнергетики и i энергопотребления. Наиболее значимые результаты в решении обозначенной проблемы достигнуты в Московском энергетическом институте (техническом университете) при активном участии Ильинского Н.Ф., Копылова И.П., Беспалова В.Я., Ключева В.И., Микитченко А.Я., Федорова A.A., Веникова В.А. и др. Большой вклад внесли ученые отраслевых промышленных институтов ВНИПИ «Тяжпромэлектропроект», ОАО «Электропривод», ОАО «НИПТИЭМ» научные школы Уральского федерального округа при участии Шубенко В.А., Браславского И.Я., Пластуна А.Т., Шрейнера А.Т., Зюзева A.M., Гафиятуллина Р.Х., ХохловаЮ.И., Усынина Ю.С., Селиванова И.А., Карандаева A.C., Сарварова A.C., Корнилова Г.П. и др.

Наиболее эффективным техническим мероприятием, обеспечивающим повышение энергетического КПД потребителей электрической энергии переменного тока, является компенсация реактивной мощности. На практике это реализуется I путем применения различных компенсаторов реактивной мощности (КРМ).

Директивные материалы правительства РФ регламентируют нормативное значение коэффициента мощности coscp=0,9. Однако эта величина достигается преимущественно в электросетях среднего и высокого напряжений (35-110 кВ). В низковольтных сетях напряжением 0,4 кВ, от которых питается до 60% ТАД, повышение соБ(р до приемлемого уровня известными способами экономически не всегда оправдано, поэтому, зачастую, не применяется.

В этой связи актуальным и практически значимым для развития экономики з страны является решение задач, направленных на повышение энергоэффективности 1 асинхронных электроприводов промышленных установок напряжением до 1000 В. X I

Решение проблемы ведется по следующим главным направлениям: совершенствование технологии и рабочих машин [3]; создание энергоэффективных электродвигателей; разработка современных микропроцессорных автоматизированных систем управления электроприводами с реализацией функции I энергосбережения; компенсация реактивной мощности индуктивного характера.

Направление исследования данной диссертационной работы определено путем комплексного объединения трех названных направлений решения проблемы энергоэффективности на основе концепции индивидуальной компенсации реактивной мощности электропотребителя на уровне его электромагнитной системы.

Работа выполнялась в рамках Федеральной Целевой Программы- «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы по теме: «Создание энергосберегающих систем транспортировки, распределения и потребления электрической энергии на металлургическом предприятии с полным технологическим циклом», № ГК № 02.740.11.0755 от 12.04.2010 и по грантам Минэкономразвития Челябинской области.

Цель работы - повышение энергетической эффективности электроприводов промышленных установок путем создания и применения асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности.

Для достижения цели, на основе системного анализа энергетических показателей асинхронных двигателей и электроприводов на их основе, с учетом главных причин, влияющих на показатели энергоэффективности, в работе поставлены и решены следующие задачи:

1.; Разработка новых асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности.

21 Создание методик проектирования, технологии изготовления и I экспериментальных исследований асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности (АД с ИКРМ).

3! Разработка математических моделей для оценки статических и динамических характеристик электроприводов на основе асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности.

4. Разработка методики и алгоритма расчета показателей энергоэффективности I регулируемых и нерегулируемых электроприводов на основе применения ТАД и АД с ИКРМ.

5; Создание и исследование нерегулируемых электроприводов промышленных установок на основе применения асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности.

61 Создание и исследование регулируемых электроприводов промышленных установок на основе асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности.

7; Оценка экономической эффективности электроприводов промышленных установок на основе применения АД с ИКРМ. Научная новизна работы

1. Научно обоснована и разработана концепция создания энергосберегающих электроприводов промышленных установок на основе асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности непосредственно в электромагнитной цепи статора за счет использования явления феррорезонанса токов.' В известной концепции компенсации реактивной мощности электропотребителей используется явление резонанса токов в электрических цепях системы электроснабжения.

2: Разработаны новые конструкция, электромагнитные и электрические схемы соединения обмоток статора асинхронного двигателя с индивидуальной компенсацией реактивной мощности, отличающиеся от конструкции, I электромагнитной и электрической схем соединения ТАД наличием двух т-фазных статорных обмоток, одна из которых, рабочая (РО), подключается к источнику электрической энергии, а другая, компенсационная (КО), - на ш-фазный компенсирующий конденсатор регламентированной емкости. Новая конструкция 1 асинхронного двигателя, в отличие от ТАД, предусматривает комбинационные варианты электрических схем соединения обмоток статора, конденсатора,

1 < источника электрической энергии и получение феррорезонанса токов в электромагнитной системе машины.

3! Теоретически обоснованы и получены: механические и электромеханические характеристики электропривода на основе АД с ИКРМ с двумя обмотками статора; электрическая схема замещения АД, с ИКРМ; новые зависимости, определяющие линейную токовую и тепловую нагрузки статора, содержащего две и более ш-фазные обмотки, отличающиеся от известных тем, что позволяют учитывать нагрузки от действия токов каждой ш-фазной обмотки; новые зависимости, определяющие величину емкости компенсирующего конденсатора в функции частоты тока и параметров обмоток статора, ротора и полезной мощности двигателя; рациональное соотношение реактивных сопротивлений' ветвей намагничивания АД с ИКРМ и ТАД, обеспечивающее максимальный энергетический КПД электропривода.

Разработаны методика расчета и проектирования электропривода на основе АД с ИКРМ, принципиальным отличием которой является алгоритм двухэтапного электромагнитного расчета асинхронного двигателя, с индивидуальной компенсацией реактивной мощности, адаптированная к известной методике расчета 1

ТАД, ¡отличающаяся тем, что после первого этапа, на котором осуществляется расчет по критерию минимальных затрат на создание электрической машины, на втором этапе осуществляется расчет по критерию получения максимального энергетического КПД. Особенностью второго этапа расчета является использование: новых теоретически обоснованных зависимостей для определения линейной токовой и тепловой нагрузок статора, емкости компенсирующего конденсатора, рационального соотношения реактивных сопротивлений ветвей намагничивания АД ! I I с ИКРМ и ТАД; новой электрической схемы замещения для расчета рабочих, механических характеристик и показателей энергоэффективности; новой I последовательности электромагнитного расчета. <

51 Получены зависимости для инженерных расчетов параметров РО, КО в функции параметров ТАД, разработаны методика и программа для ЭВМ, I обеспечивающие пересчет уже созданных ТАД с целью их модернизации на АД с

ИКРМ, отличающиеся тем, что для пересчета используются геометрические параметры имеющейся магнитной системы, обмоточные данные ТАД, а также 1 новые; зависимости, определяющие: линейную токовую и тепловую нагрузки статора, емкость компенсирующего конденсатора от параметров схемы замещения; рациональное соотношение реактивных сопротивлений ветвей намагничивания АД с ИКРМ и ТАД.

6; Разработаны математические модели, % адекватно описывающие 1 энергетические, электромеханические и тепловые характеристики электроприводов на основе АД с ИКРМ в статическом и динамическом режимах. В отличие от известных моделей, они учитывают конструктивные отличительные признаки компенсированного двигателя: параметры обмоток статора, ротора, компенсирующего конденсатора, а также режим нагрузки электропривода.

1\ Разработаны методика, алгоритм и программа для ЭВМ, рассчитывающие показатели энергоэффективности регулируемых и нерегулируемых электроприводов, отличающиеся от известных тем, что наряду с математическими моделями ТАД используются модели АД с ИКРМ, а также модели технологических машин и их нагрузок, позволяющие исследовать энергоэффективность электроприводов при различных величинах емкости компенсирующего конденсатора и электромагнитных схемах машины.

8: Разработаны способ и устройство для повышения энергоэффективности электропривода на основе АД с ИКРМ, отличающиеся тем, что ток компенсационной обмотки статора регулируется в функции тока рабочей обмотки либо ¡изменением величины емкости компенсирующего конденсатора, либо переключением электрических схем соединения обмоток статора и конденсатора, ! 13 либо | одновременным изменением емкости конденсатора и переключением электрических схем соединения обмоток статора и конденсатора. Практическая значимость работы

I »

1! Концепция индивидуальной компенсации реактивной мощности асинхронных двигателей, основанная на использовании феррорезонанса токов в электромагнитной цепи статора, позволяет эффективно использовать магнитную I систему и компенсирующий конденсатор для генерации реактивнои мощности I емкостного характера в самой электрической машине. В режиме феррорезонанса

I ! токов емкостный ток КО подмагничивает магнитную систему так, что индуктивный реактивный ток РО, потребляемый двигателем от источника электрической энергии (ИЭЭ), стремится к минимальному значению, а полный ток - к значению активного тока. При этом соБср увеличивается до единицы, энергетический КПД возрастает при нагрузке (0,75-4,0)Р2„ на 9-17%, при нагрузках (0,25-0,5)Р2н - на Т8-26%. Это приводит к снижению полного потребляемого тока и полной мощности на 8-15%, потерь активной электрической мощности в системах электропривода и электроснабжения на 6-9%, а также к уменьшению коэффициента загрузки силовых трансформаторов, повышению ресурса проводов, кабелей и пускорегулирующей 1 аппаратуры.

21 Новая конструкция асинхронного двигателя, содержащая две ш-фазные статорные обмотки и ш-фазный конденсатор, позволяет существенно увеличить число'вариантов электромагнитных схем двигателя и электроприводов, что дает возможность расширить области поиска и управления показателями энергоэффективности электротехнического комплекса. Если конструкция ТАД позволяет реально создать две известные схемы соединения («У» и «А»), то конструкция нового двигателя позволяет создать не менее восьми симметричных и около! 20 несимметричных вариантов электромагнитных схем. Это позволяет обеспечить 2-4-ступенчатый пуск двигателя с короткозамкнутым ротором, организовать энергосберегающие режимы электроприводов при работе технологических машин без нагрузки, или при загрузках значительно ниже I номинальной с генерацией реактивной мощности в электросеть. ' 14

Применение новых полученных зависимостей, определяющих величины: линейной токовой и тепловой нагрузок статора, емкости компенсирующего конденсатора, рационального соотношения реактивных сопротивлении ветвей намагничивания АД с ИКРМ и ТАД, а также электрической схемы замещения позволяет проектировать энергосберегающие двигатели, удовлетворяющие главным требованиям к электрическим машинам, в том числе, по допустимой токовой и тепловой нагрузкам активных элементов, а также по критериям эффективного использования электротехнической стали и емкости компенсирующего конденсатора.

4; Разработанные методика и алгоритм электромагнитного расчета АД с ИКРМ, по критерию минимума затрат на первом этапе, а на втором этапе - по критерию максимума энергетического КПД, позволяют создавать энергосберегающие асинхронные двигатели (ЭАД), обладающие cos(p=l,0 и энергетическим КПД 8093%, ¡что на 10-16% выше энергетических КПД ТАД (64-83%). Например, применение разработанной методики для создания нового двигателя типа АИРК71

В2УЗ позволило в условиях электромашиностроительного завода создать двигатель, i номинальный ток которого (1,89 А) на 22% меньше номинального тока ТАД-аналога (2,4А). Это, при практически одинаковых электрических КПД (80%), повысило его энергетический КПД на 17% (с 63 до 80%). Путем реконструкции ТАД на АД с ИКРМ в условиях электроремонтных предприятий создано более 150 энергосберегающих асинхронных электроприводов промышленных установок предприятий РФ (ОАО «Татнефть», ОАО «ММК-МЕТИЗ», ЖКХ и др.), позволивших уменьшить потери электрической энергии на 4-7%, что составляет 0,91,2 млн. кВт-час в год.

5: Разработанные методика, зависимости для инженерных расчетов и программа для ЭВМ применяются для пересчета заводских обмоточных данных ТАД при их реконструкции на АД с ИКРМ в электроремонтных цехах и участках предприятий (ОАО «Татнефть», ОАО «ММК-МЕТИЗ», ОАО «ММК», МУП

Электротранспорт», ЗАО «Горно-обогатительное производство» группы компаний 1

ОАО «ММК», МП трест «Водоканал» и др.). I 15

6. Разработанные математические модели энергетических, электромеханических и тепловых характеристик являются «инструментами», I позволяющими на этапе создания новых или реконструкции существующих ТАД получать ожидаемые показатели работы электроприводов в статических и динамических режимах и принимать обоснованные решения о целесообразности I реконструкции и вариантах ее проведения. I

7i Разработанные методика, алгоритм и программа для ЭВМ, рассчитывающие показатели энергоэффективности регулируемых и нерегулируемых электроприводов на основе применения ТАД и АД с ИКРМ, позволяют на этапе проектирования I исследовать энергоэффективность вариантов систем электроприводов при различных величинах емкости компенсирующего конденсатора и различных электромагнитных схемах машины.

81 Способ и устройство для повышения энергоэффективности электропривода f на основе АД с ИКРМ:, основанные на. регулировании* тока компенсационной обмотки в функции тока рабочей обмотки изменением величины емкости и схемы подключения обмоток статора и компенсирующего конденсатора позволяют, по сравнению с вариантом, где током компенсационной обмотки нерегулируемый, дополнительно повысить энергетический КПД электропривода на 8-15% в области нагрузок (0,25-0,5)Р2н и на 1,5-3% в области нагрузок (0,5-0,7)Р2н. Промышленное внедрение

Применение результатов научной работы позволило реконструировать и создать более 150 энергосберегающих асинхронных двигателей и повысить энергоэффективность электроприводов на основе АД с ИКРМ конкретных промышленных установок:

1) волочильного стана UDZSA 2500/3 ОАО «ММК-МЕТИЗ»;

2) нефтяных станков-качалок, насосов нефтегазового комплекса;

3) насосных агрегатов ЖКХ (трестов «Теплофикация», «Водоканал»); I

4) вентиляторов, шламовых насосов и др.

Экономия электрической энергии составляет более 3,5 млн. кВт-час, или в денежном выражении - около 6 млн. рублей в год. ? 16

Полученные в диссертационной работе результаты рекомендуются для I практического внедрения на предприятиях всех отраслей промышленности, I электромашиностроительных, электроремонтных предприятиях, изготавливающих или ремонтирующих асинхронные двигатели.

К защите представляются следующие основные положения

1.' Концепция энергосберегающих электроприводов на основе асинхронных 1 двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности за счет использования явления феррорезонанса токов в электромагнитной цепи статора, обеспечивающая снижение электропотребления, повышение КПД электродвигателя и уменьшение потерь электрической энергии в электроприводе и электропитающей сети.

21 Конструкция, электромагнитные и электрические схемы асинхронного двигателя с индивидуальной компенсацией реактивной мощности. Электрическая схема; замещения и зависимости, определяющие: линейную токовую и тепловую нагрузки статора асинхронного двигателя, содержащего на статоре две и более ш-фазные обмотки; емкость компенсирующего конденсатора от электромагнитных параметров двигателя; рациональное соотношение реактивных сопротивлений 1 ветвей намагничивания АД с ИКРМ и ТАД.

3: Методики и алгоритмы электромагнитного расчета АД с ИКРМ, пересчета существующих ТАД в АД с ИКРМ, технология их изготовления и испытания.

4. Математические модели, описывающие статические и динамические режимы электропривода на основе АД с ИКРМ.

5; Методика и алгоритм расчета показателей энергоэффективности электроприводов промышленных установок, созданных на основе применения ТАД и АД с ИКРМ.

61 Способ и устройство для повышения энергоэффективности электропривода на основе АД с ИКРМ путем регулирования тока компенсационной обмотки изменением генерируемой реактивной мощности компенсирующего конденсатора.

1\ Результаты теоретических и экспериментальных исследований регулируемых электроприводов на основе АД с ИКРМ, выполненных по системам ПЧ-АД, ПЧщим-1 17

АД, ТРН-АД, подтвердившие их работоспособность, обеспечение заданных I динамических свойств и улучшенных энергетических характеристик.

8; Результаты промышленного внедрения электроприводов на базе разработанных АД с ИКРМ в промышленных установках, на объектах нефтегазового комплекса, ЖКХ и др., подтвердившие высокую эффективность I использования разработанного асинхронного двигателя и снижение потерь I электрической энергии в среднем на 7-12%, при этом срок окупаемости капитальных вложений и затрат на реконструкцию составляет от 0,2 до 1,2 года.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических семинарах 5 энергетического факультета ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет», а также на международных научно-технических конференциях, симпозиумах, выставках-конгрессах, в том числе: на IV Международной (15 Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу, Магнитогорск, 2004 г.; на V, VII Международных симпозиумах

ЭЛМАШ-2004, 2009», Москва; Международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии», Томск, 2005 г.; Международной выставке-конгрессе. Высокие технологии. Инновации. Инвестиции, Санкт-Петербург, 2006 г.; V Международной (16 Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу, Санкт-Петербург, 2007 г.; XII Международной конференции «Электромеханика, электротехнология, электротехнические материалы и компоненты», Крым, Алушта, 2008 г.; Международной конференции «Электроэнергетика и автоматизация в металлургии и машиностроении», Магнитогорск, 2008 г.; VI Международной (17 Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу, Тула, 2010г.; научно-методическом семинаре «Энергосбережение средствами электропривода» кафедры автоматизированного электропривода Московского энергетического института (технического университета) 1 февраля 2011 г. и других.

Диссертационная работа рекомендована к защите расширенным заседанием кафедры электротехники и электротехнических систем ГОУ ВПО "Магнитогорский ГТУ им. Г.И. Носова" (17 марта 2011г.).

Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в 55 печатных трудах, в том числе 12 в рецензируемых изданиях по перечню ВАК, одна монография, 39 статей и докладов, один патент, две официально зарегистрированные программы для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы из 173 наименований и 9 приложений на 14 страницах. Работа изложена на 393 страницах машинописного текста, содержит 183 рисунка, 34 таблицы.

Выводы и заключение по диссертационной работе

1! Научно обоснована и экспериментально подтверждена возможность

4 г улучшения показателей энергоэффективности электроприводов промышленных I установок путем модернизации электромагнитной схемы асинхронного двигателя и I индивидуальной компенсации реактивнои мощности непосредственно в 1 электромагнитной системе электрической машины. {

2\ Разработана, изготовлена и исследована новая конструкция асинхронного двигателя с индивидуальной компенсацией реактивной мощности, обеспечивающая лучшие показатели энергоэффективности, по сравнению с традиционными асинхронными двигателями, за счет размещения на статоре двух трехфазных обмоток, одна из которых подключается к электросети, а другая - на трехфазный конденсатор определенной емкости. При рациональных электромагнитных схемах и соотношениях параметров обмоток, конденсатора, и магнитной системы разработанная конструкция асинхронного двигателя позволяет, в зависимости от номинальной мощности, уменьшить потребляемые ток и полную мощность на 8—

24%, увеличить соБф до единицы, электрический КПД на 0,5-1,5%, энергетический КПД на 10-16%.

3| Разработана методика электромагнитного расчета асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности, которая совершенствует и расширяет возможности известной методики расчета традиционных асинхронных двигателей. Это достигается за счет использования нового критерия расчета двигателя (шах г^гТрсоБф), новых зависимостей, определяющих линейную токовую и тепловую нагрузки статора, емкость компенсирующего конденсатора, а также новых электромагнитных схем электрической машины, обусловленных ее конструкцией.

4.: Разработана и реализована технология изготовления асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности, адаптированная к технологии изготовления традиционных асинхронных двигателей. Предложены методика испытания и схемы стендов для получения рабочих и механических характеристик двигателей. Это позволяет электромашиностроительным и ! электроремонтным предприятиям на имеющемся технологическом оборудовании i производить энергосберегающие общепромышленные асинхронные двигатели.

5! Разработаны математические модели,. описывающие работу электроприводов на основе асинхронных двигателей с индивидуальной 1 компенсацией реактивной мощности, позволяющие в полном объеме проводить I исследования электромеханических и тепловых характеристик в статических и I динамических режимах при различном характере нагрузки электропривода. Математические модели отличаются от известных тем, что> учитывают новые конструктивные признаки двигателя. б! Разработаны методика, алгоритм и программа для ЭВМ, позволяющие на этапе! проектирования электроприводов рассчитывать ожидаемые показатели энергоэффективности различных систем электроприводов на- основе применения асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности и обоснованно принимать решение о технико-экономической целесообразности вариантов технических решений.

7. Разработаны способ и устройство управления электроприводом на основе АД с ;ИКРМ при его работе без нагрузки или с нагрузкой меньше оптимальной, обеспечивающие получение наилучшего энергетического КПД путем управления током; компенсационной обмотки статора в функции тока рабочей обмотки статора либо изменением величины емкости компенсирующего конденсатора, либо переключением электрических схем соединения обмоток статора и конденсатора, либо " одновременным изменением емкости конденсатора и переключением электрических схем соединения обмоток статора и конденсатора. Разработка позволяет при неоптимальных нагрузках двигателя в области (0,25-0,5)Р2Н увеличить энергетический КПД на 8-15%, в области (0,5-0,75)Р2н - на 1,5-КЗ,0%.

8, Электромашиностроительные заводы освоили изготовление АД с ИКРМ следующих типов: ДАТ 126, АИР 71-В2УЗ (ОАО «Электромашина», г. Челябинск); АИМЛ 71-В2 (ОАО «Сарапульский электрогенераторный завод»).

9: В ООО «РЭТО» (г. Альметьевск) освоена технология реконструкции электроприводов нефтяных станков-качалок на основе асинхронных двигателей « типа | АИР-180-8, мощностью 18,5 кВт. Рекноструировано более 130 электроприводов, позволяющих ежегодно экономить около 860 тыс. кВтчас

V i электроэнергии. I

10. Реконструированы электроприводы вентиляторов градирни на основе 1 применения АД с ИКРМ типа А02-91-6, мощностью 55 кВт, позволяющие ежегодно экономить порядка 200 тыс. кВтчас электроэнергии в год.

11. Создана экспериментальная установка для исследования нерегулируемых и регулируемых электроприводов« насосных агрегатов, в том числе по системе ПЧ-АД с ¡ИКРМ, с помощью которой исследованы и подтверждены, эффективность, применения асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности для электроприводов данного класса. Реконструированы электроприводы насосных агрегатов систем водоснабжения. ЖКХ. Экономический эффект от применения электроприводов' насосных агрегатов на основе АД с ИКРМ проявляется в снижении удельного расхода электроэнергшгна 9-10%.

12. Созданы и исследованы опытно-промышленные электроприводы волочильных станов \JDZSA 2500/3, \TDZSA 2500/7 на основе АД с ИКРМ типа 8МКК-55. Экономия электрической энергии на волочильных станах ОАО «ММК-МЕТИЗ» составляет 350 тыс. кВтчас в год.

В* результате промышленного внедрения электроприводов на базе разработанных АД с ИКРМ в промышленных установках, на объектах нефтегазового комплекса; ЖКХ и др., подтверждены высокая эффективность использования разработанных электроприводов и снижение потерь электрической энергии в среднем на-7-12%, при этом срок окупаемости капитальных вложений и затратна реконструкцию составляет от 0,2 до 1,2 года.

Применение результатов научной работы позволило^ реконструировать и создать более 150 энергосберегающих асинхронных электроприводов. Экономия электрической энергии за счет повышения энергоэффективности электроприводов конкретных промышленных установок составляет более 3,5 млн. кВт-час, что в денежном выражении составляет порядка 6 млн. рублей в год.

Полученные в диссертационной работе результаты рекомендуются для расширенного промышленного внедрения, а также для использования в учебном процессе при подготовке и повышении квалификации специалистов электротехнических направлений. В целом, работа имеет существенное значение для инновационного развития отечественной электротехнической отрасли, позволяет решать важную народнохозяйственную проблему энергосбережения в различных отраслях промышленности.

1.1: Федеральный закон № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышенииtэнергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации»

2. Государственная программа Российской. Федерации «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2020 года». Утверждена1.распоряжением Правительства Российской Федерации от 27 декабря 2010 г. № 2446-Р

3. Мугалимов Р.Г., Харченко Г.Н. Попов В.К. Об экономии электроэнергии в прокатном.производстве // Промышленная энергетика. 1980. №1. С. 8-9.

4. Алексеев JI.E. Конструкция электрических машин. Госэнергоиздат, 1958.

5. Костенко М.П. Электрические машины. Госэнергоиздат, 1949.

6. Пиотровский Л.М., Электрические машины. Изд-во, «Энергия», 1974. 504 с.

7. Видеман Е., Келленбергер В. Конструкции электрических машин. / Сокращенный перевод с немецкого Б. А. Цветкова Под редакцией Б. Н. Красовского. Издательство Энергия, Ленинградское отделение, 1972.

8. Касаткин A.C., Перекалин М.А. Электротехника. Изд-во «Энергия», 1963.

9. Блажкин А.Т. Общая электротехника. Изд-во «Энергия», 1964.

10. Копылов И.П. Проектирование электрических машин. М.: Высшая школа, 2005.-767 с.

11. Беспалов В.Я., Габдуллин H.A. Оптимальная структура нерегулируемого электропривода. // Известия ТулГу. Технические науки. Вып. 3: в 5 ч. Тула: Изд-во ТулГу, 2010.41.-С. 114-119.

12. Вольдек А.И. Электрические машины. Л.:, «Энергия», 1974. 839 с.

13. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи: Учеб. для электротехн., энерг., приборостроит. спец. вузов — 9-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. шк., 1996. - 638 с.

14. Сыромятников И. А. Режимы работы асинхронных и синхронныхэлектродвигателей — Зе изд., переработ, и доп. — M.-JL: Госэнергоиздат, 1963. -528 с.

15. Миллер Е.в: Основы теории электропривода. М.: Росвузиздат, 1963.i

16. Справочник по электрическим машинам. В'2-х т. / Под общей ред. И.П.1

17. Копылова и Б.К. Клокова. Т. 2. М.: Энергоатомиздат, 1989. — 688 с.i1

18. Техноперспектива, 2007. 585 с.

19. Радин В.И., Брускин Д.Э., Зорохович А.Е. Электрические машины: Асинхронные машины. М.: Высшая школа, 1988, - 328 с.

20. Сорокер Т.Г. Расчет характеристик асинхронного двигателя." — «Бюллетень Всесоюзного электротехнического института», 1941, №6. — С. 27-32.

21. Электротехника. Учеб. пособие для вузов. Э45 Под ред. B.C. Пантюшина.

22. Изд. 2-е, перераб. и доп. М.': «Высш. школа», 1976. — 560 с.1

23. Энергоатомиздат, 1998. 704 с.I

24. Ковчин С.А., Сабинин Ю.А. Теория электропривода: учебник дшг вузов: СПб.: Энергоатомиздат, 1994.-496 с.

25. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин: Учеб. для вузов. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 2001. - 327 с.

26. Копылов И.П: Электрические машины. -М.: Высшая школа, 2000.

27. Омельченко Е.Я. Динамические модели асинхронных двигателей: Монография. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск, гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова,2010.-194 с.i

28. Чиликин М.Г., Ключев В.И., Сандлер A.C. Теория автоматизированного электропривода: учебное пособие для ВУЗов. Мг. Энергия, 1979. 616 с.

29. Голован А.Т. Основы электропривода. М.: Госэнергоиздат, 1959. 344 с.

30. Борисов A.M., Драчев Г.И:, Лях Н.Е., Нестеров A.C., Шишков, А.Н., ФрикМ.Ф. Асинхронный дроссельный электропривод с регулятором скорости //

31. Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 3: в 5 ч. Тула: Изд-во ТулГУ. 2010. Ч. 2.-С. 234-243. 1

32. Осипов О.И. Частотно-регулируемый асинхронный электропривод. М. 2002. -122 с.

33. Микитченско А.Я. Разработка и исследование частотно-управляемогоIасинхронного электропривода по системе НПЧ-АД для машин предприятий горнодобывающей промышленности: Автореферат докт. дисс. М.: МЭИ, 1999. -40 с.

34. Сарваров A.C. Энергосберегающий электропривод на основе НПЧ-АД с программным формированием напряжения: Монография. Магнитогорск: МГТУ, 2001.-206 с.I

35. Браславский И.Я., Зюзев A.M., Костылев A.B. Баланс реактивной мощности в системе тиристорный преобразователь напряжения асинхронный, двигатель // Электротехника. 2000, №1. - С. 30-33.

36. Шрейнер Р.Т. Оптимальное частотное управление асинхронными электроприводами. Кишинев: Штиинца, 1982. 234 с.

37. Сарваров A.C. Синхронизация асинхронного двигателя в системе АВК сцелью повышения энергетических показателей. Тр/ Моск. энерг.ин-та, 1982, вып. 520. - С.93-95.

38. Синхронизированный асинхронный электропривод с частотным управлением / В.Н. Мещеряков, A.A. Соломатин// Воронежский инновационно-технологический центр. Электротехнические комплексы и системы управления. 2006, №2.-С. 11-16.

39. Ильинский Н.Ф. Рожанковский Ю.В., Горнов А.О. Энергосбережение вtэлектроприводе //Энергосберегающая технология электроснабжения народного хозяйства. /Под ред. В.А. Веникова. М.:Высш. шк., 1989. - 129 с.

40. Попов В.И., Ахунов Т.А., Макаров JI.H. Современные асинхронные электрические машины: новая российская серия RA. М.: Изд-во «Знак», 1999. — 256 с.

41. Шенфер К.И. Асинхронные машины. M.-JL: ГНТИ, 1931. - 391 с.

42. Алиев И.И. Асинхронный энергосберегающий двигатель. Электротехника11, 2001.-С. 39-41.

43. Алиев И:И., Беспалов В.Я., Клоков Ю.Б. Асинхронный генератор с гарантированным самовозбуждением / Электричество. 1997. №7. С. 42-45.

44. Котеленец Н.Ф., Семикин С.А., Мощинский Ю.А., Кирякин A.A. Оценка возможности применения встроенных конденсаторов для возбуждения асинхронных машин. Известия ВУЗ. Электромеханика №4, 1991. С. 60-62.

45. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Изд. 6-е, перераб. и доп. Учебник для студентов энергетических и электротехнических вузов. — М.: Высшая школа, 1973

46. Костенко М.П., Пиотровский Л.М. Электрические машины. Ч. 2. М.: Энергия, 1974.

47. Турин Я.С., Кузнецов Б.И. Проектирование серий электрических машин. — М.: Энергия, 1978г. 480 с.

48. Домбровский В.В., Зайчик В.М. Асинхронные машины: Теория, расчет, элементы проектирования. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1990. - 368 с.

49. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин. М.:

50. Высшая школа, 2001. — 327 с.

51. Мугалимов Р.Г., Мугалимова А.Р. К проектированию асинхронногодвигателя с индивидуальной- компенсацией реактивной мощности. //t

52. Электротехнические системы и комплексы: Межвузовский сб. науч. тр. Вып. 14. /

53. Под ред. Сарварова A.C. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2007. С. 121-130.асинхронного двигателя с индивидуальной компенсацией реактивной мощности. //

54. Электромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляемыеtэнергомеханические системы: труды III Международной научно-техническойконференции. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2007. С. 77-80.

55. Мугалимов Р.Г., Косматов В.И., Мугалимова А.Р. Метод и алгоритмпроектирования компенсированного энергосберегающего асинхронного двигателя.

56. Сборник материалов V Международной (XVI Всероссийской) научной конференции: 18-21 сентября 2007 г. Санкт-Петербург, 2007. - С. 281-284.

57. Кравчик А.Э., Шлаф М.М., Афонин В.И., Соболенская Е.А. Асинхронныедвигатели серии 4А: Справочник. -М.: Энергоиздат, 1982.

58. Правительство Челябинской области, 2008. С. 104-105.1

59. Мугалимова' А.Р., Кретов С.В:, Губайдуллин А.Р., Мугалимов Р.Г. Опыт создания энергосберегающих электроприводов волочильных станов. // Промвппленная энергетика. — № 7. 2009. — С. 11-15.I

60. Мугалимов Р.Г., Губайдуллин А.Р., Мугалимова А.Р. Экспериментальные исследования электроприводов волочильного стана на основе энергосберегающихiасинхронных двигателей. // Известия вузов: Электромеханика. — № 1. — 2009. — С. 43-47.;I

61. Пат. 2112307 RU, МКИ 6 Н02 к 17/28. Асинхронная компенсированнаяэлектрическая машина. Савицкий А.Д., Мугалимов Р.Г., Савицкая Л.Д:// Открытия.i i1. Изобретения. 1998г. №15.

62. Г. Корн и Т. Корн. Справочник по математике для научных работников» и инженеров. -М.: Наука, 1970. 720 с.

63. Яцкин, Н. И: Алгебра: Теоремы и алгоритмы: учеб. пособие / Н. И. Яцкин. — Иваново : Иван. гос. ун-т, 2006. 506 с.

64. Т.2. Магнитогорск: МГТУ, 2004. - С. 114-117.

65. Гольдберг О:Д. Качество: и надежность асинхронных двигателей. М.:1. Энергия, 1968. 176 с.

66. Радиойова A.A. Магнитогорск: МГТУ, 2009. - С. 67-76.

67. Екатеринбург, 2003. С. 159-162.I

68. Мугалимов Р.Г., Савицкий А.Лі, Савицкая Л.Д., Жданов А.К., Кожевников