МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СОВЕТ ПО СТАНДАРТИЗАЦИИ, МЕТРОЛОГИИ И СЕРТИФИКАЦИИ

(МГС)

INTERSTATE COUNCIL FOR STANDARDIZATION, METROLOGY AND CERTIFICATION

(ISC)

ГОСТ IEC/TS 60034-31 — 2015

Машины электрические вращающиеся

Часть 31

Выбор энергоэффективных двигателей, включая приводы с регулирующей скоростью

Руководство по применению

(IEC/TS 60034-31:2010, ЮТ)

Издание официальное

Москва

Стандартинформ

2016

Предисловие

Цели, основные принципы и порядок проведения работ по межгосударственной стандартизации установлены ГОСТ 1.0-92 «Межгосударственная система стандартизации. Основные положения» и ГОСТ 1.2-2009 «Межгосударственная система стандартизации. Стандарты межгосударственные, правила и рекомендации по межгосударственной стандартизации. Правила разработки, принятия, применения. обновления и отмены»

Сведения о стандарте

1    ПОДГОТОВЛЕН Открытым акционерным обществом «Всероссийский научно-исследовательский институт сертификации» (ОАО «ВНИИС») на основе собственного аутентичного перевода на русский язык международного стандарта, указанного в пункте 5

2    ВНЕСЕН Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии

3    ПРИНЯТ Межгосударственным советом по стандартизации, метрологии и сертификации (протокол от 10 декабря 2015 г. № 48-2015)

За принятие проголосовали:

Краткое наименование страны Код страны по МК Сокращенное наименование национапьмого органа no МК (ИСО 3166) 004—97 (ИСО 3166) 004-97 по стандартизации Армения AM Минэкономики Республики Армения Киргизия KG Кыргызстандарт Россия RU Росстандарт

4    Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 19 августа 2016 г. № 920-ст межгосударственный стандарт ГОСТ IEC/TS 60034-31—2015 введен в действие в качестве национального стандарта Российской Федерации с 1 марта 2017 г.

5    Настоящий стандарт идентичен международному документу IEC/TS 60034-31:2010 Rotating electrical machines — Part 31: Selection of energy-efficient motors including variable speed applications — Application guide (Машины электрические вращающиеся. Часть 31. Выбор энергоэффективных двигателей. включая приводы с регулирующей скоростью. Руководство по применению).

В разделе «Нормативные ссылки» и тексте настоящего стандарта ссылки на международные стандарты актуализированы.

Международный стандарт разработан Техническим комитетом по стандартизации 1ЕСЯС 2 «Вращающиеся электрические машины».

Перевод с английского языка (ел).

Степень соответствия — идентичная (ЮТ)

6 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

II

ГОСТ lECrrS 60034-31—2015

c)    Механические потери (на трение и на сопротивление воздуха), никак не связанные с нагрузкой. Такие потери возникают в подшипниках, вентиляторах и уплотнениях двигателя. В низкоскоростных двигателях IP2X. IP4X и IP5X они обычно малы, но могут достигать существенных значений в крупногабаритных. высокоскоростных или полностью закрытых двигателях.

d)    Добавочные нагрузочные (паразитные) потери. К этому типу относятся добавочные основные потери и высокочастотные потери в железе, потери в проводнике обмотки статора, потери от циркуляционных токов в обмотке статора и от высших гармоник в проводниках ротора под нагрузкой. Все эти потери считаются пропорциональными квадрату крутящего момента.

В таблице 1 перечислены различные составляющие потерь в двигателе, выраженные в процентах от суммарных потерь, которые они представляют, и указаны проектные и конструктивные факторы, влияющие на их величину.

Таблица 1 — Распределение потерь в трехфазных четырехполюсных асинхронных двигателях с короткозамкнутым ротором

Виды потерь Типичная процентная доля от суммарных потерь а 4-полюсных двигателях Факторы, влияющие на эти потери Потери в статоре от 30 до 50 Типоразмеры проводников и материалов статора Потери в роторе от 20 до 25 Типоразмеры проводников и материалов ротора Потери в сердечнике от 20 до 25 Тип и количество магнитного материала Добавочные нагрузочные потери от 5 до 15 В основном методы изготовления и проектирования Потери на трение и сопротивление воздуха от 5 до 10 Конструктивные характеристики вентиляторов и подшипников

Как правило, потери в двигателе могут быть сокращены путем увеличения в нем объема активного электротехнического материала, т. е. проводников и магнитных материалов.

5.3    Добавочные потери в двигателе при работе с частотным преобразователем

Гармоники напряжения и тока в асинхронных двигателях с короткозамкнутым ротором, порождаемые частотным преобразователем, приводят к возникновению добавочных потерь в железе и потерь мощности (l²R) в обмотках статора и ротора Суммарная величина этих добавочных потерь никак не зависит от нагрузки и сокращается при увеличении частоты переключений в преобразователе.

В неблагоприятных ситуациях добавочные потери в двигателе, вызываемые рабочей частотой преобразователя, способны увеличить суммарные потери в двигателе на 15—20 % по сравнению с использованием синусоидального питающего напряжения.

Более подробную информацию по этим вопросам можно найти в IEC 60034-17 и IEC 60034-25.

5.4    Двигатели более высоких классов экономичности

Ожидается, что передовые технологии электротехники позволят производителям электротехнического оборудования проектировать новые двигатели класса энергоэффективности IE3 с более высоким КПД при размерах механических частей (фланцев, shaft heights etc.), сравнимых с существующими двигателями более низких классов энергоэффективности (например, описанными в EN 50347, NEMA MG1 и других локальных нормативных документах). Для использования таких новых двигателей обычно требуются средства силовой электроники (частотные преобразователи).

Потери в роторе почти полностью исключаются в случае применения синхронных двигателей без обмотки возбуждения.

В приложении А настоящей спецификации предлагается класс сверхвысокой энергоэффективности, который специально ориентирован на такие двигатели (хотя сам по себе класс IE4 не ограничивается двигателями специального назначения).

Уже разрабатываются и в какой-то мере стали доступными для приобретения на коммерческой основе синхронные двигатели с постоянными магнитами (PMSM) и реактивные синхронные двигатели

5

(RSM). Первые обычно характеризуются внутренним реактивным моментом (моментом явнополюсно-сти). а вторые могут возбуждаться постоянным магнитом, благодаря чему становится возможным создание систем гибридного привода.

В зависимости от количества используемого магнитного материала синхронные двигатели с постоянными магнитами могут иметь больший коэффициент мощности по сравнению с асинхронным двигателем, благодаря чему повышается энергоэффективность как распределительной сети, так и частотного преобразователя. Однако для нормального функционирования таких двигателей требуется применение частотного преобразователя и датчика положения ротора (кодера), если в самом преобразователе не используется бескодерный алгоритм управления.

В небольших по размерам и/или высокоскоростных двигателях обычно используется также более простой коммутационный блок низкочастотного регулирования напряжения (это так называемые бесщеточные двигатели постоянного тока, или двигатели с электронной коммутацией). Основной недостаток таких двигателей — возникающие добавочные потери от паразитных напряжений и токов гармоник. Преимущества их по КПД перед асинхронными двигателями становятся еще менее ощутимыми при сравнении с усовершенствованными двигателями с постоянными магнитами или реактивными синхронными двигателями с управлением посредством широтно-импульсной модуляции.

Еще одно усовершенствование конструктивных характеристик синхронных двигателей состоит в одновременном использовании постоянных магнитов и короткозамкнутого ротора, благодаря чему такой двигатель может запускаться в дистанционном режиме; это синхронные двигатели типа LSPM с постоянными магнитами с запуском от сети (line-start, permanent magnet), для управления которыми совсем не обязателен частотный преобразователь. Однако пусковые характеристики таких двигателей гораздо хуже по пульсации крутящего момента и издаваемому шуму; имеются также существенные ограничения по нагрузке линии и моменту инерции приведенной нагрузки. Двигатели этого типа тесно привязаны к соответствующей области применения и не могут использоваться в качестве электрических машин широкого назначения.

Примечание — По мере накопления практического опыта использования синхронных двигателей в стандартных областях применения предусматривается расширение сферы действия IEC 60034-30 и дополнение его приложением А настоящей публикации как нормативным

5.5 Изменчивость потерь в двигателях

Для любой производимой продукции должны существовать определенные допуски по характеристикам. зависящие от материалов и методов изготовления: двух абсолютно одинаковых изделий не бывает, даже если они сошли со сборочного конвейера в одно и то же время

Это в равной степени относится и к электродвигателям. Существование производственных допусков по таким материалам как сталь, используемая для изготовления пластин сердечников статора и ротора, неизбежно ведет к отклонениям в магнитных свойствах и в конечном итоге влияет на потери в железе и. как следствие, на КПД двигателя. На основе испытаний двигателя мощностью 7.5 кВт поставщиками электротехнической стали были предложены 10-процентные допуски на потери в железе (от 300 до 330 Вт), что означает возможный рост общих потерь в двигателе с 946 до 976 Вт и возможное уменьшение его КПД с 88.8 % (IE2) до 88.5 % (IE1).

Изменчивость характеристик может быть также результатом ограничений, свойственных технологическому процессу изготовления двигателя; поэтому существуют границы размеров его отдельных частей, диктуемые экономическими соображениями. Различные комбинации сочленяемых деталей вносят свой вклад в колебания размерных характеристик, таких как величина воздушного зазора, что. в свою очередь, приводит к колебаниям добавочных нагрузочных потерь, а следовательно, и КПД двигателя.

Кроме того, могут возникать и неопределенности, порождаемые операциями изготовления и процедурами испытаний.

Отсюда следует, что прогнозирование КПД конкретного двигателя возможно только на основе определяемого изготовителем номинального значения (которое должно быть эквивалентно среднему значению КПД по большой представительной статистической выборке из партии двигателей). Номинальный КПД должен быть также больше или равен требуемому номинальному значению для соответствующего класса энергоэффективности (в соответствии с IEC 60034-30).

6

ГОСТ IEC/TS 60034-31—2015

Фактический КПД любого отдельного двигателя при номинальной нагрузке, номинальном напряжении и номинальной частоте вращения может быть и ниже номинального значения, но только на величину. не выходящую за пределы допуска по IEC 60034-1. Это уровень, достигаемый в том неблагоприятном случае, когда характеристики и материалов, и процессов изготовления находятся на самой низкой границе установленных допусков.

Номинальное значение КПД подлежит использованию при оценке мощности, требуемой для энергоснабжения определенного числа двигателей. Минимальное значение КПД (равное номинальному за вычетом допуска) позволяет пользователю двигателя на основании расчетов приобрести уверенность в том. что он действительно получит конкретный заданный уровень эффективности.

5.6 КПД при неполной нагрузке

Трехфазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором демонстрируют практически постоянный КПД в широком диапазоне частичных нагрузок, что видно из рисунка 3.

Показанные на рисунке области значений КПД одинаково типичны для двух- и четырехполюсных двигателей; двигатели с большим числом полюсов будут иметь характеристики, отличные от показанных на рисунке 3.

кгщ.%

Рисунок 3 — Типичные графики зависимости КПД от нагрузки для трехфазных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором в разных диапазонах выходной мощности (примерно 1.1; 15 и 150 кВт)

7

Когда известны значения КПД под нагрузкой, равной 3/4 номинальной, для приближенного определения КПД при любой другой частичной нагрузке можно воспользоваться следующими расчетными формулами:

где: i/₁₀₀ — это КПД при номинальной нагрузке; //у₅— выраженный в процентах КПД при нагрузке, равной 3/4 номинальной: v_L, v₀ промежуточные значения; р — желаемая мощность (отнесенная к номинальной нагрузке); ;/_р — результирующий КПД. выраженный в процентах.

Примечание — Не рекомендуется применять указанный алгоритм при нагрузках меньше 50 % или больше 125 % от номинальной

5.7    Методы проверки КПД

Существует несколько методов контроля для определения коэффициента полезного действия двигателя. Стандартные методы испытания асинхронных электрических машин, используемые во всем мире, определены в IEC 60034-2-1. где представляются и несколько способов определения КПД двигателя; каждый из этих методов обладает определенными преимуществами в точности, стоимости и удобстве контроля — в зависимости от конкретных характеристик двигателя. Некоторые из методов, приведенных в IEC 60034-2-1, гармонизированы с национальными стандартами, такими как CSA С390 и IEEE 112. часть В.

Предложенный в IEC 60034-2-1 метод остаточных потерь представляет собой определенную вычислительную процедуру выделения различных типов потерь из необработанных данных и сглаживания добавочных (паразитных) нагрузочных потерь методом регрессионного анализа. Это может уменьшить влияние ошибок, вносимых при проведении измерений в широком диапазоне нагрузок. — от 25 % до примерно 150 % номинапьной нагрузки. В рамках этого метода осуществляется также приведение температурных условий испытаний к температуре 25 *С — для уменьшения колебаний результатов из-за различия фактических условий испытательной среды.

Общепринятый подход к получению исходных данных для диапазона мощностей от 0,75 до 370 кВт состоит в том, чтобы провести испытание двигатепя с использованием нагрузочной машины и торсиометра и аккуратно произвести измерения входной и выходной мощности в нескольких точках нагрузки для определения составляющих потерь, а значит, и коэффициента полезного действия.

Однако даже использование вполне подходящего и точного метода испытаний не спасает от неизбежных колебаний результатов измерений для одного и того же двигателя — главным образом из-за ошибок, вносимых испытательным оборудованием и измерительной аппаратурой, а в случае неавтоматизированного испытания — еще и персоналом испытателей.

5.8    Коэффициент мощности

Показанные на рисунке 4 диапазоны изменения коэффициента мощности одинаково типичны для двух- и четырехполюсных двигателей. Характеристика двигателей, имеющих большее число полюсов, будет иной.

Полная нагрузка двигателя в работающем оборудовании обычно является основным фактором, определяющим коэффициент мощности системы. Низкий коэффициент мощности приводит к росту потерь в системе распределения. Асинхронные двигатели по своей природе вызывают запаздывание системного коэффициента мощности.

Коэффициент мощности асинхронного двигателя уменьшается с уменьшением нагрузки.

ГОСТ IEC/TS 60034-31—2015

Коэффициент мощности

Рисунок 4 — Типичный график зависимости коэффициента мощности от диапазона нагрузок трехфазных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором в разных диапазонах выходной мощности (примерно 1.1; 15 и 150 кВт)

Коэффициент мощности при номинальной нагрузке возрастает с увеличением номинальной мощности двигателя. Несколько асинхронных двигателей, работающих одновременно с малой нагрузкой, способны вызвать в системе электроснабжения существенное понижение коэффициента мощности. Низкоскоростные асинхронные двигатели при номинальной нагрузке имеют более низкий коэффициент мощности, чем высокоскоростные.

Небольшое увеличение напряжения (меньше чем на 10 %) по сравнению с номинальным уровнем будет уменьшать коэффициент мощности, и наоборот, небольшое понижение напряжения (меньше чем на 10 %) относительно его номинальной величины будет повышать коэффициент мощности асинхронного двигателя. Однако его другие рабочие характеристики могут испытывать обратное воздействие такого изменения напряжения, вследствие чего рекомендуется держать режим работы асинхронного двигателя как можно ближе к номинальным значениям напряжения и мощности, указанным в его паспортной табпичке.

Решение о целесообразности или нецелесообразности улучшения коэффициента мощности и использования для этого конденсаторов, синхронных двигателей или иных мер корректировки должно приниматься после анализа системы энергоснабжения.

В случае применения корректирующих конденсаторов для повышения коэффициента мощности электрической сети они подлежат тщательному отбору и контролю во избежание возникновения опасных условий эксплуатации: по вопросу подбора корректирующих конденсаторов рекомендуется консультироваться с разработчиками сети.

9

5.9 Согласование двигателей и различных частотных преобразователей

Добавление в систему энергоснабжения преобразователя с регулируемой частотой создает во многих случаях благоприятные условия для повышения ее экономичности. Однако возникающие при этом дополнительные затраты на преобразователь (обычно превышающие стоимость двигателя более высокой мощности) и добавочные потери, которые зависят от размеров и конструкции преобразователя и обычно исчисляются 2—5 % при номинальных значениях момента и скорости и составляют от 10 до 30 % при крутящем моменте и скорости на уровне 25% их номинальных величин, требуют серьезного анализа используемого приложения.

Первая группа приложений — это насосные агрегаты, вентиляторы и другие аналогичные объекты с переменной нагрузкой, у которых крутящий момент возрастает примерно пропорционально квадрату скорости вращения двигателя. Входная электрическая мощность будет при этом увеличиваться пропорционально кубу скорости, когда расход потока в закрытых каналах и трубопроводах регулируется только заслонками и дроссельными клапанами. Непрерывное сглаживание входной мощности до требуемого уровня расхода может обеспечиваться приводом с регулируемой скоростью; соответственно этому будут снижаться и потери. Должно приниматься во внимание и традиционное регулирование нагрузки с помощью многоскоростных двигателей или параллельных схем управления односкоростными двигателями, если такой способ может обеспечить выполнение нужной работы с меньшими затратами и потерями. Ощутимые выгоды приносит использование приводов с регулируемой скоростью вращения, так как в этом случае открываются широкие возможности для серьезного повышения уровня экономичности.

Ко второй группе приложений относятся конвейеры, эскалаторы, лебедки и другие аналогичные механизмы, момент которых относительно независим от схорости. Привод с регулированием скорости может обеспечивать непрерывную бесступенчатую настройку скорости вращения в диапазоне от почти неподвижного состояния до полной величины и таким образом минимизировать потребляемую мощность. Выигрыш в затратах и экономичности при этом будет меньше, чем в первой группе приложений, поскольку в данном случае входная мощность изменяется пропорционально скорости.

Третью группу образуют приложения, в которых изменения нагрузки и скорости минимальны, но от привода с регулированием скорости могут быть получены выгоды иного характера: например, безударный пуск и мягкая остановка или требование высокого пускового момента. Основным выигрышем здесь является не повышение эффективности использования энергии, а уменьшение износа машинного оборудования. Существует множество других, более дешевых технических решений, ориентированных на обеспечение безударного пуска, однако все они. в отличие от привода с регулируемой скоростью, не приводят к экономии энергии.

В некоторых приложениях двигатели имеют излишне большие размеры и постоянно работают с неполной нагрузкой (50 % или меньше): хотя использование регулируемого частотного преобразователя способно в данном случае улучшить энергетические показатели за счет уменьшения входного напряжения двигателя, более подходящий выбор габаритных размеров с учетом требуемой нагрузки может способствовать сокращению затрат и большей экономии энергии.

Если не используются дополнительные синусоидальные фильтры, то двигатели, оснащенные приводом с регулируемой скоростью, подвергаются воздействию выбросов напряжения, которые существенно больше пиков, возникающих при питании от сети. В настоящее время большинство новых промышленных двигателей на напряжение до 500 В имеют систему изоляции, которая способна выдержать такие напряжения без каких-либо проблем. Для более высоких напряжений питания должны рассматриваться двигатели, охватываемые стандартом IEC 60034-25.

В случае использования в существующих приложениях двигателей старой конструкции в сочетании с частотными преобразователями с регулируемой частотой необходимо консультирование с изготовителем двигателя. Кроме того, важно определить максимально безопасную рабочую скорость двигателя в случае существенного превышения регулируемым приводом промышленной частоты (50 или 60 Гц). Такая информация обычно присутствует в каталогах или в эксплуатационной документации (руководствах); по этому вопросу см. также стандарты IEC 60034-1 и IEC 60034-17.

Приводы с регулированием скорости должны выбираться и конфигурироваться на основе четкого знания типичных эксплуатационных условий:

• моментов и скоростей, требуемых ведомой машиной;

- зависимости изменения номинальной мощности от выбранного метода воздушного охлаждения (самовентиляция или принудительный обдув).

Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодно издаваемом информационном указателе «Национальные стандарты», а текст изменений и поправок — в ежемесячно издаваемых информационных указателях «Национальные стандарты». Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования — на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (www.gost.ru)

© Стандартинформ. 2016

В Российской Федерации настоящий стандарт не может быть полностью или частично воспроизведен. тиражирован и распространен в качестве официального издания без разрешения Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии

ГОСТ IEC/TS 60034-31—2015

Содержание

1    Область применения.................................................................1

2    Нормативные ссылки.................................................................1

3    Термины, определения и символические обозначения......................................1

3.1    Термины и определения...........................................................1

3.2    Символические обозначения.......................................................1

4    Общие положения....................................................................2

5    Коэффициент полезного действия......................................................3

5.1    Общие положения................................................................3

5.2    Потери в двигателе...............................................................4

5.3    Добавочные потери в двигателе при работе с частотным преобразователем................5

5.4    Двигатели более высоких классов экономичности......................................5

5.5    Изменчивость потерь в двигателях...................................................6

5.6    КПД при неполной нагрузке.........................................................7

5.7    Методы проверки КПД.............................................................8

5.8    Коэффициент мощности...........................................................8

5.9    Согласование двигателей и различных частотных преобразователей.....................10

5.10    Двигатели с номинальной частотой 50 и 60 Гц.......................................11

5.11    Двигатели, рассчитанные на разные номинальные напряжения

или на диапазон напряжений.........................................................12

5.12    Двигатели, рассчитанные на работу при частотах, отличных от 50/60 Гц.................12

5.13    Энергоэффективность частотного преобразователя с регулируемой частотой.............12

5.14    Коэффициент мощности частотного преобразователя................................14

6    Рабочие условия....................................................................15

6.1    Пусковые характеристики.........................................................15

6.2    Рабочая скорость и скольжение ротора..............................................15

6.3    Влияние качества электроэнергии и колебаний напряжения и частоты....................15

6.4    Эффект асимметрии напряжений...................................................16

7    Области применения.................................................................16

7.1    Общие положения...............................................................16

7.2    Экономия энергии посредством использования двигателей

с регулируемой скоростью вращения...................................................17

7.3    Правильный выбор нагрузочного режима............................................17

7.4    Работа в непрерывном режиме.....................................................17

7.5    Сферы применения с длительными периодами легкой нагрузки двигателя.................18

7.6    Сферы применения с управляемыми нагрузками......................................18

7.7    Сферы применения, в которых момент нагрузки возрастает с увеличением скорости

(насосы, вентиляторы, компрессоры и др.)..............................................19

7.8    Сферы применения, в которых осуществляются частые пуски

и остановы двигателей и/или механическое торможение...................................20

7.9    Применения во взрывоопасной газовой среде и в среде горючей пыли....................20

8    Экономические аспекты..............................................................20

8.1    Пользовательские затраты........................................................20

8.2    Исходная стоимость приобретения..................................................21

IV

ГОСТ lECrrS 60034-31—2015

8.3    Эксплуатационные расходы.......................................................21

8.4    Стоимость перемотки двигателя....................................................23

8.5    Срок окупаемости затрат..........................................................23

8.6    Затраты в течение всего жизненного цикла...........................................24

9 Техническое обслуживание...........................................................25

Приложение А (справочное) Сверхвысокий класс энергоэффективности (IE4)...................26

Приложение ДА (справочное) Сведения о соответствии межгосударственных стандартов

ссылочным международным стандартам....................................32

Библиография........................................................................33

V

Введение

Настоящий стандарт содержит руководящие указания по использованию экономичных двигателей с постоянной или регулируемой скоростью и не касается чисто коммерческих аспектов этой проблемы.

Стандарт охватывает не методы получения высокой эффективности, а испытания, которые дают гарантию ее определенного уровня.

В течение последних 15 лет во многих регионах мира применяют трехфазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором мощностью порядка 200 кВт, поскольку двигатели такой мощности, как правило, серийного производства, устанавливаются практически повсюду. Конструкция этих двигателей часто диктуется потребностями рынка благодаря их относительно невысокой стоимости, однако именно по причине такого критерия выбора наивысший приоритет никогда не отдавался малому потреблению энергии.

Для двигателей с номинальной мощностью 1 МВт и выше, которые обычно изготовляются по заказу. высокая экономичность всегда была одной из важнейших целей проектирования; их коэффициент полезного действия при полной нагрузке лежит в диапазоне от 95 до 98 %. Заданный КПД двигателя обычно является частью контракта на его приобретение, и изготовителя ждут штрафные санкции в случае невыполнения контрактных обязательств. Это значит, что при назначении классов экономичности повышенные значения КПД отходят на второй план.

В настоящем стандарте применены следующие шрифтовые выделения:

-    требования — светлый;

-    термины — полужирный;

-    методы испытаний — курсив;

-    примечания — петит.

VI

МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ

Машины электрические вращающиеся

Часть 31

Выбор энергоэффективных двигателей, включая приводы с регулирующей скоростью

Руководство по применению

Rotating electrical machines — Part 31:

Selection of energy-efficient motors Including vanable speed applications — Application guide

Дата введения — 2017—03—01

1    Область применения

В настоящей части серии стандартов IEC 60034 представлены руководящие указания по решению технических вопросов применения экономичных трехфазных электродвигателей. Они затрагивают не только производителей двигателей, изготовителей комплектного оборудования, конечных пользователей. регуляционные и законодательные органы, но и все другие заинтересованные стороны.

Данная техническая спецификация применима ко всем электрическим машинам, которые охватываются стандартом IEC 60034-30. однако большая часть информации имеет отношение также и к асинхронным двигателям с короткозамкнутым ротором с выходной мощностью выше 375 кВт.

2    Нормативные ссылки

Перечисленные ниже ссылочные документы обязательны для применения данного документа. В случае датированных ссылок действующим является только указанное издание. Применительно к недатированным ссылочным документам применяются их самые последние издания (включая все последующие изменения):

IEC 60034-1 Rotating electrical machines — Part 1: Rating and performance (Машины электрические вращающиеся Часть 1. Номинальные и рабочие характеристики)

IEC 60034-30 Rotating electrical machines — Part 30: Efficiency classes of single-speed, three-phase, cage-induction motors (lE-code) [Машины электрические вращающиеся. Часть 30. Классы КПД односкоростных трехфазных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором (коды IE)]

3    Термины, определения и символические обозначения

3.1    Термины и определения

В настоящем документе применяются термины и определения из IEC 60034-1 и IEC 60034-30.

3.2    Символические обозначения

>1_п — номинальный КПД. %

;/_N — расчетный КПД, %

Издание официальное

f_N — номинальная частота. Гц п_ы _ номинальная скорость вращения, об/мин P_N — номинальная выходная мощность. кВт Т_ы _ номинальный выходной крутящий момент. Нм U_N — номинальное напряжение, В

4 Общие положения

Электрические компоненты Механические компоненты Область применения Заводская автоматика Восполнение энергии Надлежащее плановое техническое обслуживание Энергосберегающие двигатели Энергосберегающие редукторы, задвижки и т. п. Приводы с регулируемой скоростью Максимально эффективное энергоснабжение Устройства коррекции коэффициента моо^остм Энергосберегающие насосы, вентиляторы, компрессоры и др Сокращение потерь при передаче электроэнергии Режим низкого энергопотребпе ния при простоях Использование наиболее экономичных компонентов Безударный пуск с регулированием Минимизация инерции еращентя Приводы с регугмруемой скоростью Максимально эффекти^ое энергос «бжение Рекуперативное торможение Соединекые с л имей частоты вращения Оптимизация маосы и потока Режим И4ЭК0Г0 энергопотребления при простоях постоянного тока Батареи с ультра конденсатора ми. маховиси и т. п

Рисунок 1 — Общий обзор различных звеньев систем электропривода, в которых возможна экономия энергетических затрат

Экономия энергии может достигаться в разных звеньях систем электропривода — в зависимости от режима их работы (непрерывного или прерывистого).

В случае непрерывного режима важную роль в экономии энергии играет повышение КПД двигателя. Увеличение коэффициента мощности (за счет применения частотного преобразователя или синхронного двигателя) может способствовать уменьшению потерь мощности (I'R) в кабелях. Оптимизация механических узлов (редукторов, ременных передач, насосных агрегатов, вентиляторов и др.) способна дать гораздо большую экономию, чем усовершенствование самого электродвигателя.

Имеет значение и конкретная область применения, так как во многих случаях существенная экономия потребляемой энергии может быть получена за счет регулирования нагрузки прикладной системы; в этих случаях часто оказывается полезным использование регулирования скорости вращения электрических машин в соответствии с изменением потребностей в электроэнергии.

Обычно приносит выгоды и правильно организованное техническое обслуживание. Для многих промышленных предприятий характерно высокое энергопотребление в низковольтных цепях управления (как правило, это бывают 24-вольтовые источники питания). В этих условиях должны использоваться высокоэффективные низковольтные источники, и. если это возможно, при длительных периодах простоя предприятие должно закрываться (например, на выходные и праздничные дни).

ГОСТ IEC/TS 60034-31—2015

Потери. Вт 10000 т—

Номинальная выходная мощность. кВт □    - двигатель класса IE2; □    - двигатель класса IE3; □    - двигатель IE2 ♦ преобразователь; ■    - двигатель IE3 ♦ преобразователь; ■    - двигатель IE3 ♦ преобразователь + тормозная катушка

Рисунок 2 — Типичные потери в двигателях с низким энергопотреблением, преобразователях и электромеханических тормозных системах

На рисунке 2 представлен общий обзор типичных потерь мощности в энергосберегающих двигателях в сравнении с типичными потерями в системах силового привода, включая двигатели с преобразователями частоты питающей сети, оснащенные и не оснащенные катушками электромеханических тормозов

В прикладных системах с прерывистым режимом функционирования двигатели с малым потреблением энергии не особенно эффективны и могут даже потреблять больше энергии вследствие возрастания их инерционных и пусковых токов В таких приложениях потребление энергии на стадии пуска может быть сокращено путем обеспечения линейного характера изменения тока с помощью частотного преобразователя Сохранение энергии в прерывистом режиме может принести ощутимые выгоды, когда рабочий цикл двигателя включает в себя фазы рекуперативного торможения (например, в приводах лебедок, лифтов, подъемных кранов и т. п ).

5 Коэффициент полезного действия

5.1 Общие положения

Коэффициент полезного действия (КПД) двигателя — это мера эффективности преобразования электрической энергии в механическую, выражаемая отношением выходной мощности ко входной;

Выходная мощность    Выходная    мощность

КПД = —--=    —--

Входная мощность Входная мощность * потери

Значения КПД двигателей обычно приводятся применительно к номинальной нагрузке, но могут даваться также приближенные значения для 3/4 и половинной номинальной нагрузки.

Как показано ниже, коэффициент полезного действия двигателя зависит главным образом от его нагрузки, номинальной мощности и скорости вращения:

3

a)    изменение КПД в зависимости от нагрузки является основной внутренней характеристикой двигателей: работа двигателя под нагрузкой, существенно отличающейся от номинальной, может приводить к изменению его КПД (см. рисунок 3);

b)    обычно КПД двигателей при полной нагрузке возрастает с увеличением их физических размеров и номинальной выходной мощности;

c)    при одинаковой номинальной мощности двигатели с более высокой скоростью вращения обычно (но не всегда) имеют и более высокий КПД; однако это не значит, что всю аппаратуру следует оснащать высокоскоростными двигателями; в тех случаях, когда для получения более низкой скорости требуются механизмы ее понижения (например, лебедки или редукторы), дополнительные потери из-за применения двигателей с высокой скоростью вращения могут привести к уменьшению КПД до уровня ниже обеспечиваемого низкоскоростным прямым приводом.

Существует определенная зависимость между номинальной скоростью вращения (об/мин) и КПД асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором; чем ниже номинальная скорость, тем меньше КПД. поскольку мерой потерь в обмотке ротора является характеристика скольжения двигателя (скольжением называется разность между синхронной и рабочей скоростью). Этот показатель, выражаемый в процентах, равен разности скоростей, деленной на синхронную скорость и умноженной на 100. Таким образом, асинхронные двигатели любой конструкции с короткозамкнутым ротором, характеризуемые скольжением меньше 5 %. всегда экономичнее, чем двигатели, имеющие большее скольжение, и потому им должно отдаваться предпочтение во всех случаях, когда соответствующая прикладная система допускает их применение.

При таких нагрузках, как насосы, вентиляторы и воздушные компрессоры, можно получить существенную экономию энергии за счет использования многоскоростного двигателя или двигателя с регулируемой скоростью. Следует, однако, отметить, что КПД многоскоростного двигателя на каждой рабочей скорости оказывается несколько ниже, чем у односкоростного двигателя с сопоставимыми номинальными характеристиками. Однообмоточные многосхоростные двигатели (например, с обмоткой Даландера) обычно бывают более экономичными по сравнению с двухобмоточными.

Двигатели, которые работают непрерывно или в течение длительных периодов времени, предоставляют довольно богатые возможности для сокращения энергопотребления. Примерами таких сфер применения являются технологические агрегаты, пневматическое оборудование, насосы и многие типы промышленных установок.

Среди множества двигателей, работающих непрерывно, есть множество таких, которые используются кратковременно и имеют очень малую суммарную наработку часов за год. Примерами такого применения могут служить двигатели вентилей, приводы шлюзовых ворот, промышленные устройства открывания дверей, пожарные помпы и канализационные насосы. Во всех этих случаях изменение КПД двигателя не будет оказывать заметного влияния на суммарные энергозатраты, поскольку потребление энергии мало и увеличение КПД может привести к ухудшению требуемых рабочих характеристик.

Небольшое увеличение КПД двигателя на несколько процентных пунктов может соответствовать весьма существенному сокращению потерь в двигателе. Например, при неизменной выходной мощности увеличение КПД с 75 до 78,9 %. с 85 до 87.6 % или с 90 до 91.8 % означает в каждом случае сокращение энергетических потерь на 20 %.

Так как КПД. как правило, возрастает с увеличением размеров двигателя, высоковольтные электрические машины с выходной мощностью выше 1 МВт обычно имеют КПД больше 95 %.

Примечание — Поскольку выходная мощность электродвигателя возрастает пропорционально квадрату диаметра его ротора, допустимое рассеяние тепла увеличивается почти линейно Следовательно, необходимым условием разработки более мощных двигателей является повышение их КПД

5.2 Потери в двигателе

Электродвигатель преобразует электрическую энергию в механическую и в этом процессе порождает потери энергии, которые могут быть охарактеризованы следующим образом:

a)    Потери в электрической части (в статоре и роторе), зависящие от нагрузки. Ток. протекающий через обмотки статора и ротора, порождает потери, пропорциональные произведению квадрата тока на сопротивление обмоток (l²R); потери в роторе возрастают с увеличением скольжения.

b)    Потери в железе, обычно не зависящие от нагрузки. Потери этого типа порождаются главным образом в шихтованном стальном сердечнике статора и (в меньшей степени) в роторе. Магнитное поле, важное для создания крутящего момента двигателя, приводит к возникновению потерь из-за перемаг-ничивания и вихревых токов.