На скільки енергії економить двигун постійних магнітів у порівнянні з асинхронним двигуном на гірничодобувній техніці

При оцінці рішень щодо приводів важкої гірничодобувної техніки вибір між двигуном з постійними магнітами та двигуном з постійними магнітами та звичайним асинхронним двигуном має безпосередній і вимірюваний вплив на споживання енергії. Двигун з постійними магнітами створює магнітне поле за допомогою вбудованих рідкоземельних магнітів замість індукованих струмів у роторі, що принципово змінює спосіб перетворення електричної енергії в механічну роботу. Ця відмінність не є незначною — у складних циклах навантаження, характерних для гірничодобувних операцій, вона призводить до суттєвої й тривалої економії енергії, яка накопичується з часом.

Щоб точно зрозуміти, наскільки багато енергії економить двигун постійного струму, потрібно розглянути показники ефективності, механізми втрат та реальні умови експлуатації. У гірничодобувному середовищі, де конвеєри, дробарки, підйомники та насоси працюють безперервно під змінними навантаженнями, переваги двигуна постійного струму над асинхронним двигуном є особливо вираженими. У цій статті розглядаються механізми економії енергії, кількісно визначається різниця в ефективності та пояснюється, чому так багато гірничих підприємств переходять на технологію двигунів постійного струму.

Різниця в ефективності між типами двигунів

Як двигун постійного струму зменшує електричні втрати

Індукційний двигун використовує електромагнітну індукцію для створення струму в роторі, що й утворює реактивне магнітне поле. Цей процес природно призводить до втрати енергії в міді ротора — так званих втрат I²R — які споживають енергію без внеску в вихідну потужність на валу. Двигун з постійними магнітами повністю усуває втрати в міді ротора, оскільки його магнітне поле ротора підтримується постійними магнітами. Ця єдина механічна відмінність дозволяє двигуну з постійними магнітами досягати ККД у режимі повного навантаження, як правило, у діапазоні від 95 % до 97 %, тоді як аналогічні індукційні двигуни зазвичай працюють у діапазоні від 90 % до 94 %.

Перевага ефективності двигуна з постійними магнітами стає ще більш вираженою при часткових навантаженнях. Обладнання для видобутку рідко працює на повному номінальному навантаженні протягом кожного години роботи. Конвеєри уповільнюють рух під час зміни змін, насоси зменшують подачу при падінні попиту, а дробарки працюють зі змінною швидкістю подачі матеріалу. ККД асинхронного двигуна різко знижується при роботі нижче 50 % від номінального навантаження. Двигун з постійними магнітами зберігає високий ККД у значно ширшому діапазоні навантажень, що робить його набагато кращим варіантом для режимів роботи зі змінним навантаженням, які є типовими для гірничодобувних застосувань.

Втрати в сталі та теплові характеристики

Двигун з постійними магнітами також створює менші втрати в сталевому сердечнику статора порівняно з асинхронним двигуном, що працює при тій самій вихідній потужності. Оскільки двигун з постійними магнітами не потребує намагнічування ротора за рахунок струму статора, складова намагнічуючого струму в обмотці статора значно зменшується. Зниження струму в статорі означає зменшення резистивного нагрівання, що зменшує як втрати в міді, так і теплове навантаження на ізоляцію обмотки. У підземних гірничих умовах, де охолодження є обмеженням, двигун з постійними магнітами працює при нижчій температурі, подовжує інтервали технічного обслуговування та зменшує ризик термічного виходу з ладу.

Оцінка енергозбереження на гірничій техніці

Оцінене зниження енергоспоживання в режимах безперервної роботи

Для гірничодобувного обладнання, що працює безперервно, наприклад, стрічкових конвеєрів і шламових насосів, двигун з постійними магнітами зазвичай забезпечує підвищення ККД на 3–6 % порівняно з еквівалентним асинхронним двигуном при повному навантаженні. Хоча цей відсоток може здаватися незначним сам по собі, сукупна енергозбереження за річний цикл експлуатації є суттєвою. Один потужний привід конвеєра, що працює з двигуном з постійними магнітами потужністю 200 кВт протягом 8 000 годин на рік, може забезпечити щорічну економію десятків тисяч кіловат-годин порівняно з експлуатацією того самого навантаження на асинхронному двигуні. На гірничодобувному об’єкті з кількома приводами загальне зниження споживання електроенергії завдяки технології двигунів з постійними магнітами може становити значну частку загального рахунка за електроенергію.

Для обладнання зі змінним навантаженням, такого як підйомні крани та дробарки, енергетична перевага двигуна з постійними магнітами на практиці ще більша. Якщо врахувати реальний профіль експлуатації — зокрема години роботи при частковому навантаженні, цикли розгону та простої — двигун з постійними магнітами може перевершити асинхронний двигун за загальним споживанням енергії на одну тонну переробленого матеріалу на 7–10 %. Це пояснюється тим, що двигун з постійними магнітами зберігає високий ККД у періодах часткового навантаження, які домінують у багатьох циклах роботи дробарок і підйомних кранів.

Термін окупності та вплив на довгострокові витрати

Двигун з постійними магнітами має вищу початкову вартість покупки, ніж еквівалентний асинхронний двигун, що є типовим запереченням у гірничих проектах з обмеженими капіталовкладеннями. Однак, коли енергозбереження перераховується на щорічне зниження витрат на електроенергію, більшість установок двигунів з постійними магнітами у гірничодобувному обладнанні з високим рівнем завантаження окуповується протягом двох–чотирьох років. Після цього періоду двигун з постійними магнітами продовжує забезпечувати енергозбереження протягом усього терміну його експлуатації, який за належного технічного обслуговування зазвичай перевищує десять років. За весь термін експлуатації двигун з постійними магнітами майже завжди забезпечує нижчу загальну вартість власництва порівняно з асинхронним двигуном.

Застосування Придатний для гірничодобувного обладнання

Там, де двигун з постійними магнітами забезпечує найбільшу цінність

Двигун з постійними магнітами особливо добре підходить для гірничодобувних застосувань, що передбачають високий крутний момент при низькій або змінній швидкості, що й є саме тим робочим режимом, у якому асинхронні двигуни найменш ефективні. Двигун з постійними магнітами може забезпечувати номінальний крутний момент при нульовій або майже нульовій швидкості без струмових спалахів, характерних для пуску асинхронних двигунів. Це робить двигун з постійними магнітами ідеальним для приводів лебідок, запуску конвеєрів під навантаженням та застосувань у насосах для шламу, де контрольований крутний момент на низьких швидкостях є критичним для стабільності технологічного процесу. Усунення високих пускових струмів також зменшує навантаження на інфраструктуру електропостачання, що опосередковано знижує витрати на електричну інфраструктуру.

Двигун з постійними магнітами, інтегрований з частотним перетворювачем, утворює один із найбільш енергоефективних приводних комплектів, доступних сьогодні для гірничої техніки. Частотний перетворювач дозволяє двигуну з постійними магнітами працювати точно на тій швидкості, яка потрібна технологічним процесом, що запобігає втратам енергії, пов’язаним із регулюванням потоку за допомогою заслінок, гідравлічних муфт або роботи на фіксованій швидкості. Коли цю комбінацію застосовують до великої вентиляційної установки або водяного насоса в гірничодобувному виробництві, двигун з постійними магнітами з регулюванням швидкості обертання може знизити споживання енергії на 20–40 % порівняно з асинхронним двигуном, що працює на фіксованій швидкості, і механічним регулюванням витрати.

Питання встановлення та інтеграції

Інтеграція двигуна з постійними магнітами в існуюче гірничодобувне обладнання вимагає перевірки сумісності електричних характеристик двигуна з системою керування. Для досягнення оптимальної роботи двигун з постійними магнітами, як правило, потребує спеціального частотного перетворювача з векторним або безпосереднім керуванням моментом. Стандартні частотні перетворювачі для асинхронних двигунів не завжди взаємозамінні з частотними перетворювачами для двигунів з постійними магнітами без оновлення прошивки або модифікації апаратного забезпечення. Інженерним командам, які планують модернізацію з установкою двигуна з постійними магнітами, слід на ранніх етапах проекту перевірити сумісність перетворювача, щоб уникнути затримок під час введення в експлуатацію та забезпечити роботу двигуна з постійними магнітами в заданому діапазоні ефективності з першого дня експлуатації.

Часті запитання

На скільки вища ефективність двигуна з постійними магнітами порівняно з асинхронним двигуном?

Двигун з постійними магнітами зазвичай досягає ККД у режимі повного навантаження 95–97 % порівняно з 90–94 % для асинхронного двигуна еквівалентної потужності. При частковому навантаженні різниця ще більше зростає, оскільки двигун з постійними магнітами зберігає високий ККД навіть при навантаженні нижче 50 % від номінального, тоді як ККД асинхронного двигуна в тому самому діапазоні падає значно стрімкіше.

Чи можна встановити двигун з постійними магнітами замість існуючого на гірничо-видобувному обладнанні?

Так, двигун з постійними магнітами часто можна встановити замість існуючого на гірничо-видобувних машинах, однак цей процес вимагає ретельної оцінки механічної та електричної сумісності. Система керування приводом повинна підтримувати алгоритми керування двигунами з постійними магнітами, а монтажний інтерфейс має відповідати розмірам каркасу оригінального двигуна. За умови належного інженерного супроводу модернізація за допомогою двигуна з постійними магнітами є перевіреним способом підвищення енергоефективності без заміни всіх складових трансмісії.

Чи потребує двигун з постійними магнітами більшого обсягу технічного обслуговування порівняно з асинхронним двигуном?

Двигун з постійними магнітами, як правило, потребує меншого обсягу профілактичного обслуговування порівняно з асинхронним двигуном, оскільки в нього відсутні обмотки ротора, щітки та кільця ковзання, які потрібно обслуговувати. Відсутність втрат у міді ротора також означає, що двигун з постійними магнітами працює при нижчих робочих температурах, що зменшує знос підшипників і продовжує термін служби ізоляції. У складних гірничих умовах це зниження обсягу обслуговування є значною експлуатаційною перевагою поряд з енергозбереженням.