Электродвигатели с высокой энергоэффективностью — Control Engineering Russia
Лукаш Урбаньский
Правильное использование двигателей с высокой энергоэффективностью не ограничивается одним лишь правильным прочтением данных на щитке двигателя. В декабре 2010 г. в США ввели новые директивы, обязывающие применять электродвигатели с высоким КПД, в Европе аналогичные правила действуют уже давно. Готовы ли вы к очередным более строгим директивам?
Экологическое мышление мотивирует многих, а экология сама по себе является темой повседневной жизни. К сожалению, не в сфере бизнеса, хотя именно там любое ограничение потребления энергии означает огромную экономию. Электродвигатели с высоким КПД могут помочь в реализации этой задачи, тем более, что все более жесткие нормы во многих странах просто требуют этого.
Стоит знать, что когда говорят о двигателях с высоким КПД, то это относится обычно к традиционным асинхронным двигателям. Индукционные двигатели выпускаются в стандартном энергетическом исполнении, в исполнении с повышенной эффективностью и суперэффективные, – говорит Дэвид Хансен, глобальный менеджер продукта Kinetix Motion Control Rockwell Automation.
— Двигатели же с постоянными магнитами выпускаются только по одному энергетическому классу.
Не случайно двигатели с постоянными магнитами предлагаются только в одном энергетическом классе: их конструкция сама по себе обеспечивает высокий КПД, поскольку исключает потребность намагничивания ротора. Джон Малиновски, старший продукт-менеджер в фирме Baldor Electric Company подчеркивает, что существует группа индукционных двигателей, которые соответствуют международным стандартам IEC 60034-30 по категории IE3 (высшая категория) и американским NEMA по категории Premium (тоже высшая категория).
По этой причине обсуждение ограничится универсальными асинхронными двигателями, роторы которых изготовлены из ферромагнитных материалов. Характеристики эффективности двигателей с постоянными магнитами будут обсуждены в другой раз.
— Двигатели энергетической категории Premium (аналог IE3) более чувствительны к исполнению, чем более старые двигатели, они создают меньше шума и вибрации, выделяют меньше тепла и являются более долговечными, — утверждает Малиновски.
— Более высокий КПД современных асинхронных двигателей является результатом совершенствования конструкции, правильной геометрии обмоток, использования более качественных материалов (в том числе меди в роторе), что приводит к более эффективному преобразованию электрической энергии в механическую, — утверждает Петер Фишбах, менеджер промышленного сектора в фирме Rexroth.
Что определяет КПД двигателя
— Ключом к более высокому КПД является ограничение потерь – констатирует Малиновски. – Больше меди в обмотке — меньше потери в проводимости, а в свою очередь более качественная магнитная сталь уменьшает потери на перемагничивание. Меньшие потери мощности — это меньший нагрев, следовательно, и меньший охлаждающий вентилятор – очередная выгода.
Фишбах добавляет, что б?льшая часть потерь ? это потери на проводимости в роторе и статоре, часто называемые потерями на гистерезиса или потерями в железе.
Хансен перечисляет по пунктам список конструктивных решений, повышающих энергоэкономичность их приводов:
- Сопротивление обмоток.
? С ростом сопротивления обмоток снижается КПД. Чтобы повысить эффективность двигателей, проектировщики стараются снизить сопротивление за счет увеличения количества меди в желобках и уменьшения обмоток, выступающих за статор. - Ламинирующее средство. – Потери в обмотках статора зависят непосредственно от качества примененной магнитной стали и от ламинирующего средства. Тонкий изолирующий слой приводит к меньшим потерям в сердечнике, нежели толстый слой.
- Геометрия зубьев. – Специальная геометрия зубьев увеличивает концентрацию магнитного потока внутри двигателя. Б?льшая концентрация ? это меньшее рассеяние энергии, а следовательно, более высокий КПД
? С ростом сопротивления обмоток снижается КПД. Чтобы повысить эффективность двигателей, проектировщики стараются снизить сопротивление за счет увеличения количества меди в желобках и уменьшения обмоток, выступающих за статор.Важен комплекс
— Целью большинства промышленных применений является сочетание высокого КПД с высокой производительностью, – считает Фишбах. — Ключ к успеху — анализ, моделирование и оптимизация всей системы, предшествующие принятию решения о закупке отдельных компонентов, таких, как двигатели.
С этим соглашается Малиновски: — Замена двигателей — это простой шаг в стремлении к большей эффективности, но выгода здесь ограничена. Стоит иметь двигатели с КПД порядка 95%, но они должны взаимодействовать с высококачественными трансмиссиями с КПД 90-95%, а не с изношенными конструкциями с КПД 50-60%.
Фишбах подтверждает: — Более высокая эффективность — понятие относительное, поскольку надо учитывать и другие факторы, влияющие на общую эффективность системы, такие, как время цикла или объем производства. Например, моментный двигатель с КПД 80% может потреблять меньше энергии, чем сервопривод с КПД 95%, поскольку не требует применения трансмиссии, а это может дополнительно увеличивать производительность системы.
Чего не делать
— Самые большие ошибки совершают те инженеры, которые все внимание сосредотачивают на щитке двигателя и ожидают пропорционального роста эффективности в их приложении, – предостерегает Фишбах.
Любой, в том числе и энергосберегающий двигатель имеет свою характеристику, поэтому он должен быть подобран к конкретному применению.
Например, двигатель энергетического класса «премиум» не сэкономит много энергии, если он будет загружен частично или будет использоваться спорадически.
Малиновски приводит пример замены старого двигателя, работающего с центробежным насосом, на новый премиум-класса. Ротор насоса, который был спроектирован под взаимодействие со старым двигателем, не заменяют. Новый, более производительный двигатель будет, вероятно, работать с более высокими оборотами, что вызовет общий рост потребления энергии. Система может быть более энергоэффективна, но дополнительная работа, которая будет совершена, может быть ненужной.
— Проектировщики, которые действительно заинтересованы увеличением эффективности, не будут стремиться исключительно к замене двигателя, а проанализируют всю систему на предмет расходования энергии, – советует Хансен. — Даже самый производительный двигатель, работая с низкоэффективной передачей, не принесет существенных энергетических выгод. Любая механическая передача между двигателем и нагрузкой — это потеря энергии.
Очень точные геликоидальные трансмиссии сразу после извлечения из упаковки имеют КПД 90-95%. Изношенная трансмиссия — это КПД на уровне 50-60%.
— Самым лучшим решением с точки зрения эффективности машины был бы отказ от механических трансмиссий и применение моментных двигателей (с постоянными магнитами) – заключает он.
А вы включаете в проект, а потом покупаете двигатели с высоким КПД? Будьте к этому готовы.
Самый большой дизельный двигатель в мире
14.01.2020
Сегодня дизельные двигатели используются повсеместно: на тепловозах и грузовиках, судах и тракторах, легковых автомобилях и дизельных электростанциях.
Дизельный двигатель основан на воспламенении в цилиндре распыленного топлива (воспламенение происходит от воздуха, нагретого при сжатии). Дизельный двигатель может использовать низкосортное топливо, выдает высокий вращающий момент при низких оборотах и имеет высокий КПД (40-45%), что делает его экономичнее бензиновых двигателей, где около 70% топлива сгорает, не преобразовываясь в механическую энергию.
Дизельный двигатели могут быть очень большими. Наиболее крупные размеры имеет судовые агрегаты, установленные на больших судах. Но среди этих гигантов выделяется одна модель, которая по праву занимает почетное звание самого большого дизельного двигателя в мире.
Компания Wartsila хорошо известна всем специалистам. Она специализируется на производстве судовых энергетических установок. Одна из них – RTA-96C. Это и есть линейка двигателей, поражающих воображения обывателя.
Технически RTA-96C представляет собой двухтактный турбокомпрессорный двигатель, число цилиндров может варьироваться от 6 до 14. Версия с 14 цилиндрами является крупнейшим поршневым ДВС и устанавливается на крупнотоннажные контейнеровозы. Высота этого двигателя превышает 13 метров, длина – 27 метров, вес – свыше 2,3 тыс. тонн.
Максимальная мощность, которую способен развить этот гигант, равна почти 109 тыс. лошадиных сил. Первым судном, получившим такой двигатель, стала знаменитая «Emma Maersk», которая с вместимостью 11 тыс.
TEU совсем недавно была самым большим контейнеровозом в мире.
Диаметр каждого цилиндра составляет почти метр (960 мм) при ходе поршня в 2500 мм. Объем цилиндров равен 25,5 тыс. литров.
Максимальное количество оборотов традиционно небольшое – 102, но крутящий момент при этом развивается свыше 7,5 млн Нм. Удельный расход топлива составляет 3,8 л/с, в час же агрегат «съедает» 13 тыс. литров бункера при максимальной мощности.
КПД этого двигателя-гиганта является самым высоким среди всех произведенных когда-либо дизельных двигателей – более 50%.
Некоторые сравнения, чтобы оценить мощность двигателя: он может обеспечить электроэнергией небольшой город. При 102 оборотов в минуту он производит 80 млн Ватт электроэнергии. Если средняя бытовая электролампа потребляет 60 Вт, 80 миллионов Ватт вполне достаточно для 1,3 млн ламп. Если в среднестатистической квартире одновременно горит 6 осветительных ламп, двигатель будет производить достаточное количество электроэнергии, чтобы осветить 220 тыс.
домовладений. Этого достаточно для обеспечения электроэнергией города с 500 тыс. населения.
Коленчатый вал
Стоимость работы двигателя
Двигатель Wartsila-Sulzer RTA96 потребляет 13 тыс. литров топлива в час. Если в барреле нефти 158,76 литра, самый большой двигатель в мире потребляется 81,1 баррелей нефти в час. Если цена на нефть составляет $67/баррель на мировых рынках нефти, то стоимость 1 часа работы двигателя с точки зрения расхода топлива будет составлять $5,4 тыс. в час.
Поршни
Новости по теме
22.01.2020
ПГК выходит из перевозок нефтеналива
«Первая грузовая компания» (ПГК) заключила предварительное соглашение с Brunswick Rail о продаже 12,8 тыс. […]
20.02.2020
Почти в ноль: финансы Maersk за 2019 год
A.
P.Moller-Maersk опубликовал финансовые показатели за 2019 год. Как сообщили SeaNews в группе, выручка по […]
Войти
Запомнить меня
Помните: для этого контента требуется JavaScript.
Помните: для этого контента требуется JavaScript.
Nissan работает над двигателем с 50-процентным тепловым КПД
PHILIP FONGGetty Images
По большому счету, газовые двигатели внутреннего сгорания не так уж и эффективны, поскольку большая часть того, что они производят, — это отработанное тепло. Считается, что Toyota предлагает самый термически эффективный из производимых на сегодняшний день автомобильных двигателей внутреннего сгорания — 2,0-литровый безнаддувный четырехцилиндровый двигатель, который достигает 41-процентного теплового КПД.
Другими словами, 41 процент работы этого двигателя преобразуется в питание автомобиля, 59процентов это просто бесполезное тепло.
Компания Nissan заявляет, что совершила прорыв в области теплового КПД внутреннего сгорания, разработав двигатель, который достигает 50-процентного теплового КПД. Но есть большая разница между этим новым двигателем Nissan и четырехцилиндровым двигателем Toyota — первый рассчитан на работу только в очень узком диапазоне. Nissan разрабатывает этот двигатель в качестве генератора для серийного гибридного автомобиля, в котором только электродвигатель приводит в движение колеса. Двигатель внутреннего сгорания вырабатывает энергию для зарядки аккумулятора, и этот аккумулятор питает двигатель. Механической связи между двигателем и колесами нет.
Этот двигатель будет использоваться в будущем поколении системы Nissan e-POWER, которая в настоящее время используется на японском рынке Note. Nissan смог достичь 50-процентного теплового КПД в ходе испытаний, по существу настроив двигатель для работы в очень определенном диапазоне скоростей и нагрузок.
«В обычном двигателе существуют ограничения на контроль уровня разбавления топливовоздушной смеси в ответ на изменение нагрузки при вождении с несколькими компромиссами между различными условиями эксплуатации, такими как поток газа в цилиндре, метод зажигания и компрессия. соотношение, которое может пожертвовать эффективностью в пользу выходной мощности», — говорится в пресс-релизе Nissan. «Тем не менее, специальный двигатель, работающий в оптимальном диапазоне скорости и нагрузки для выработки электроэнергии, позволяет значительно повысить тепловую эффективность».
Nissan
Двигатель настроен на работу с очень разбавленной топливно-воздушной смесью и работает с высокой степенью сжатия. Nissan не стал раскрывать подробности о самом двигателе, отказавшись указать размер, количество цилиндров и степень сжатия. Фотографии, опубликованные Nissan, показывают макет одноцилиндрового двигателя на испытательном стенде, поэтому кажется, что компания еще не определилась с точной формой, которую примет этот двигатель.
Nissan стремится к 100-процентному углеродному нейтралитету к 2050 году, и для достижения этой цели компания вкладывает большие средства в электромобили и автомобили, использующие систему e-POWER. Эта система кажется отличной альтернативой электромобилю, особенно в местах, где отсутствует инфраструктура для зарядки.
На данный момент единственным известным нам газовым двигателем внутреннего сгорания, имеющим тепловой КПД более 50 процентов, является 1,6-литровый V-6 Mercedes-AMG Formula 1. Но в этом двигателе используются технологии, слишком дорогие и сложные для массовых дорожных автомобилей. Пока неясно, когда мы увидим этот новый двигатель от Nissan, но подобные разработки показывают, что во внутреннем сгорании еще может быть жизнь.
Крис Перкинс Главный редактор Крис Перкинс — веб-редактор журнала Road & Track.
Wärtsilä 31 – самый эффективный двигатель в мире
Если вы хотите сократить расход судового топлива, выбросы, расходы на техническое обслуживание и время простоя, обратите внимание на Wärtsilä 31.
Этот универсальный модульный четырехтактный судовой двигатель обеспечивает Вы получаете беспрецедентную топливную и эксплуатационную гибкость, помогая вам сэкономить до 20 % затрат на техническое обслуживание и 10 000 евро в день на счетах за топливо.
Судовая моторная платформа Wärtsilä 31 включает дизельные, газовые и двухтопливные варианты — все они готовы к работе на самых разных видах топлива, таких как:
- тяжелое жидкое топливо (HFO)
- судовое дизельное топливо (MDO)
- топливо с низкой вязкостью или низким содержанием серы
- сжиженный природный газ (СПГ)
Все три варианта двигателя разрабатывались одновременно, а не один для дизельного топлива а затем адаптируя его под газ. Это означает, что вы можете извлечь выгоду из оптимальной производительности и топливной экономичности независимо от того, какой из них вы выберете. Ульф Астранд, директор по программам разработки продукции Wärtsilä, руководил внедрением всех новых технологий, заложенных в Wärtsilä 31: «Это был первый раз, когда мы разработали платформу двигателя таким образом, и этот процесс означал, что мы могли полностью оптимизировать характеристики двигателя и топливная экономичность для газового или двухтопливного режимов».
Для кого этот двигатель?
Wärtsilä 31 подходит для широкого спектра типов судов и областей применения. Его можно использовать в качестве основного двигателя, в дизель-электрических конфигурациях, в гибридных установках или в качестве вспомогательного двигателя. Например, если вы работаете в круизном или паромном секторе RoPax, двигатель проверяет все ваши приоритеты с точки зрения топливной экономичности, эксплуатационной гибкости, высокой удельной мощности, длительных интервалов между капитальными ремонтами и высокого уровня безопасности.
Сколько топлива может сэкономить вам Wärtsilä 31?
Wärtsilä 31 — самый экономичный четырехтактный судовой двигатель на сегодняшний день. Дизельная версия потребляет в среднем на 8–10 г/кВтч меньше топлива по сравнению с ближайшим конкурентом во всем диапазоне нагрузок, достигая минимума в 167,7 г/кВтч в оптимальной точке, включая насосы с приводом от двигателя. С точки зрения экономии, для большого парома RoPax или круизного лайнера вы можете сократить свой ежедневный счет за топливо на колоссальные 10 000 евро.
«Сегодня топливная экономичность является высшим признаком технического прогресса, — говорит Астранд. «Сокращение на 10 г/кВтч — это резкое улучшение, которое было невозможно еще не так давно».
Как Wärtsilä 31 помогает сократить выбросы?
Двигатель, который потребляет меньше топлива, естественным образом производит меньше выбросов. Установка Wärtsilä 31 сократит выбросы двуокиси углерода, угарного газа, оксида серы, оксида азота и общего количества углеводородов на вашем судне. Он соответствует стандартам выбросов IMO Tier II и Tier III. Двухтопливная версия позволяет легко переключаться между дизельным топливом и газом в зависимости от того, где работает ваше судно. Например, вам может потребоваться сменить топливо, чтобы соответствовать местным нормам выбросов, или вы можете минимизировать затраты, работая на самом дешевом топливе в данный момент.
Например, вы можете управлять своим кораблем на дизельном топливе в зоне уровня II, а затем мгновенно переключаться на газ, когда он входит в зону уровня III, такую как Зона контроля выбросов или ECA, без какой-либо потери скорости или производительности двигателя.
Установка Wärtsilä 31 сократит выбросы углекислого газа, монооксида углерода, оксида серы, оксида азота и общее количество углеводородов на вашем судне.
Можно ли сэкономить время и деньги на обслуживании?
С Wärtsilä 31 затраты на техническое обслуживание могут быть на 20 % ниже, чем у сопоставимых двигателей с аналогичной выходной мощностью. Вместо того, чтобы выполнять первоначальное техническое обслуживание примерно после 1000 часов работы, вы можете работать до 8000 часов.
«Судно, которое не работает, не приносит денег, поэтому время безотказной работы означает для вас прибыль», — говорит Астранд. «Вот почему при разработке Wärtsilä 31 одним из наших главных приоритетов было меньшее и более простое техническое обслуживание. Он построен с использованием компонентов с более длительным сроком службы и спроектирован так, чтобы его было проще и, следовательно, быстрее обслуживать».
Основной причиной этого является модульная конструкция двигателя, что означает, что вместо того, чтобы снимать отдельные детали, вы можете просто заменить весь модуль.
«Эти три двигателя почти идентичны, — говорит Астранд. «Технический специалист, прошедший обучение на одном из двигателей, сможет легко работать с двумя другими, а владельцы более чем одного типа двигателя смогут сократить складские запасы запасных частей благодаря высокой степени их унификации. Кроме того, двигатель, который изначально был куплен для работы, скажем, на дизеле, может быть легко адаптирован для работы на газе или двухтопливном двигателе, если требования заказчика изменятся в течение срока службы продукта».
С Wärtsilä 31 вы можете ожидать, что затраты на техническое обслуживание будут на 20% ниже, чем у сопоставимых двигателей с аналогичной выходной мощностью.
«Переход от отдельных запасных частей к сменным узлам, таким как силовые агрегаты, форсунки и топливные насосы высокого давления, делает техническое обслуживание намного более эффективным, максимально увеличивая время безотказной работы двигателя», — говорит Астранд.
Гибкость plug-and-play распространяется и на обновления. «В будущем, когда мы разработаем новую технологию, вы сможете просто установить модуль, содержащий обновление. Это будет особенно полезно, когда будут введены новые стандарты выбросов, но также может применяться к будущим видам топлива».
Как Wärtsilä 31 адаптируется к вашим эксплуатационным требованиям?
Каким бы ни был профиль эксплуатации вашего судна, Wärtsilä 31 может адаптироваться к нему благодаря передовой системе автоматизации двигателя в сочетании с гибкой системой впрыска топлива и системой изменения фаз газораспределения. Если вы обычно работаете с низкими нагрузками, скажем, в оффшорных приложениях, гибкость W31 действительно пригодится.
Коротко о Wärtsilä 31
- Энергоэффективный — потребляет в среднем на 8–10 г/кВтч меньше топлива по сравнению с ближайшим конкурентом во всем диапазоне нагрузок, экономя до 10 000 евро в день в зависимости от типа вашего судна.
- Гибкий выбор топлива – Может работать на HFO, MDO, топливе с низкой вязкостью или низким содержанием серы и СПГ.
- Простота обслуживания и сокращение времени простоя – Экономия до 20 % на затратах на обслуживание; первоначальное техническое обслуживание требуется через 8000 часов вместо 1000 часов; сменные модули сокращают время простоя за счет ускорения технического обслуживания.
- Гибкость в эксплуатации — двухтопливный двигатель может мгновенно переключаться на газ, когда ваше судно входит в зону контроля выбросов без потери скорости; Wärtsilä 31 легко адаптируется к различным рабочим профилям и будущим требованиям.
Как Wärtsilä 31 может помочь вам сократить выбросы и расходы?
Загрузите брошюру о продукте, чтобы узнать.
— Примечание редактора:
Эта статья была впервые опубликована в июне 2015 года и с тех пор обновлялась самой последней информацией.