Електродвигатели за индустриални приложения

Очаква се глобалният пазар на индустриални електродвигатели да регистрира комбиниран годишен темп на растеж (CAGR) от 6,11% за прогнозния период 2020-2025 г., достигайки стойност от 64,25 млрд. щатски долара до 2025 г., сочи проучване на консултантската компания Mordor Intelligence. Благодарение на технологичните иновации и внедряването на политики като стандарти за минимална енергийна ефективност (MEPS) в няколко държави се наблюдава ръст в продажбите на енергийно ефективни задвижващи системи, което увеличава пазарния дял на индустриалните електродвигатели.

Значителният напредък в технологично отношение през последните години предоставя възможности за разработване и производство на електродвигатели за широк диапазон от индустриални сектори – автомобилостроене, селско стопанство, строителство и др. Редица фактори възпрепятстват прехода към енергийно ефективни електрически двигатели. Според проучването на Mordor Intelligence, най-съществени са енергийните разходи за електродвигателите, следвани от разходите за поддръжка и закупуване.

Високоволтовите двигатели са разпространени в множество промишлени отрасли като нефтената и газовата индустрия, пречистването на води, производството на хартия и целулоза, стомана, миннодобивния сектор и др. Съгласно стандарт IEC 600038 високоволтови са двигателите с работно напрежение над 35 kV. Като цяло тези двигатели се проектират индивидуално и се произвеждат спрямо специфичните изисквания на всеки клиент.

Най-голям дял от пазара на електродвигатели за индустриални приложения държи Индия, където се регистрира годишен ръст от 7,9%. Страната планира да достигне 175 GW инсталирани мощности за възобновяема енергия до 2022 г., както и да получава 40% от енергията си от възобновяеми източници до 2030 г. (понастоящем делът е 15%), поради което се очаква търсенето на индустриални електродвигатели да продължи да се увеличава.

Пазарът на електродвигатели за индустриални приложения се отличава с изключително силна конкуренция поради присъствието на няколко много мащабни компании. Устойчиво конкурентно предимство може да се осигури чрез иновации, но напоследък става все по-трудно за фирмите да се разграничат от пазарната конкуренция.

Асинхронни двигатели

Тези двигатели са все още най-широко използваните в индустрията – във вариант с директно свързване към мрежата или с честотен регулатор. Приложението им обхваща помпи, вентилатори, зъбни предавки, обща автоматизация и др. В бъдеще те ще бъдат заменяни все по-често от синхронни реактивни двигатели или синхронни електродвигатели с постоянни магнити поради по-високата им ефективност.

Асинхронните двигатели се отличават с добър фактор на мощността – от 0,75 до 0,9. Съотношението между номиналната и максималната скорост на асинхронните двигатели е между 3 и 5 поради големия обхват на регулиране на магнитния поток. Сред предимствата им е и високата стойност на максималния въртящ момент спрямо номиналния (обикновено коефициент около 2), което позволява бързо ускоряване. Асинхронните двигатели се характеризират с висок пусков ток, когато са свързани директно към мрежата, което може да наложи превключване на статорната намотка от свързване “звезда” в свързване “триъгълник” по време на развъртането. В допълнение, за разлика от синхронните електродвигатели с постоянни магнити, асинхронните двигатели са по-ефективни в режим на регулиране на магнитния поток.

Като недостатък може да се посочи по-ниската им ефективност в сравнение със синхронните двигатели с постоянни магнити при базова скорост, тъй като целият магнитен поток трябва да бъде генериран от намотките. Като цяло асинхронните двигатели се характеризират с по-ниска ефективност както от синхронните двигатели с постоянни магнити, така и от синхронните реактивни двигатели, тъй като имат допълнителни загуби от ротора (омични загуби).

Синхронни двигатели с постоянни магнити

Синхронните двигатели с постоянни магнити се използват за високоефективни задвижвания (в аерокосмическата индустрия и автомобилостроенето). Все по-голяма популярност в промишлеността придобиват синхронните двигатели с вътрешни постоянни магнити и концентрирани намотки, което се дължи на опростеното им производство и разходи. Използването на концентрирани намотки обаче редуцира ефективността в сравнение със синхронните машини с разпределени намотки.
Сред силните страни на синхронните двигатели с постоянни магнити са най-висока ефективност при режим на базова скорост, както и най-добро съотношение на въртящ момент и тегло. Недостатъците на тези двигатели включват висока цена в зависимост от използвания магнитен материал и необходимост от допълнителен ток за обхвата на регулиране на магнитния поток, което обикновено води до по-ниска ефективност при високи скорости (в сравнение с асинхронните двигатели).

Синхронни реактивни двигатели

Синхронните реактивни двигатели са подвид на двигателите с вътрешни постоянни магнити, но са без магнити. Тези двигатели работят със същите преобразуватели, използвани за синхронните и асинхронните електродвигатели. В сравнение със синхронните двигатели с постоянни магнити, плътността на мощността на синхронните реактивни двигатели е по-ниска, а в сравнение с асинхронните – по-висока. Тъй като този вид електродвигатели имат по-ниски загуби в сравнение с асинхронните (особено пренебрежими роторни загуби), те имат по-ниски потребности от охлаждане и следователно могат да се произвеждат с по-малки размери.

Синхронните реактивни двигатели все още се считат за относително нови на индустриалния пазар и затова употребата им не е много широка. Някои компании заменят асинхронните си двигатели със синхронни реактивни двигатели главно за приложения с помпи, например в отоплението, климатизацията и вентилацията, поради по-високата им ефективност и по-добрата плътност на мощността.

За разлика от асинхронните двигатели и синхронните двигатели с вътрешни постоянни магнити, този вид електродвигатели се характеризират с много ниско съотношение между базовата и максималната скорост. Следователно, те имат ограничен диапазон на постоянна мощност.

Синхронните реактивни двигатели са подходящи за приложения с една работна точка, например помпи и вентилатори. Предимство на тези електродвигатели е ниската инерция на ротора им поради липсата на магнити или роторни намотки. Избягването на постоянните магнити предотвратява риска от възможно демагнетизиране и опростява цялостната работа с двигателя. В случаи на свободни товари или по време на извършване на дейности по поддръжка няма електрическа индукция, както е при наличието на постоянни магнити, което определя по-малка необходимост от решения за защита.

Синхронните реактивни двигатели имат по-нисък фактор на мощността в сравнение със синхронните електродвигатели с постоянни магнити, в резултат на което се нуждаят от преобразувател с по-голям капацитет. Както беше споменато, подобрената ефективност на тези двигатели се дължи предимно на липсата на омични загуби поради факта, че няма роторни намотки. Това обаче се компенсира частично заради необходимостта от токове с по-голяма величина в статорните намотки.

Постояннотокови двигатели

Серийните постояннотокови двигатели се използват, когато се изисква висок пусков въртящ момент и са възможни вариации в скоростта. В индустриално оборудване се срещат например в компресори, тягови системи (електрокари) и др. Постояннотоковите електродвигатели все още се използват като задвижване за управление на положение в серво приложения с ниска мощност, както и за приложения с по-висок пусков въртящ момент и относително постоянна скорост, например конвейери, елеватори, валцови мелници и др. Поради по-високата ефективност и понижена поддръжка обаче много от постояннотоковите двигатели се заменят от променливотокови задвижвания с честотна регулация (предимно асинхронни двигатели). Шунтовите двигатели за постоянен ток могат да се използват, когато е необходима постоянна скорост и пусковите условия не са тежки. Приложенията включват например вентилатори, подемна техника, центробежни помпи.

Постояннотоковите двигатели се управляват много лесно, което означава нисък разход на силова електроника. Недостатъци на тези двигатели са повишената нужда от поддръжка и по-късият експлоатационен живот, дължащи се на механичния комутатор (т. е. графитните четки трябва да се подменят). В допълнение, механичната комутация може да причини и електромагнитни смущения вследствие на искрене.

Безколекторните постояннотокови двигатели се използват предимно в приложения под 20 kW – вентилатори за климатизация, компресорни помпи и др. Те се отличават с по-висока ефективност в сравнение с постояннотоковите двигатели с четки и предлагат по-дълъг експлоатационен живот, по-ниска потребност от поддръжка и липса на риск от искрене. Тъй като е необходим допълнителен контролер обаче, тези електродвигатели са с по-висока цена и усложнена електрическа схема. Друга важна характеристика е по-високият им въртящ момент на единица тегло спрямо конвенционалните двигатели за постоянен ток.

Вентилни реактивни електродвигатели

Този вид двигатели намират приложение в текстилната индустрия при работни скорости дори над 100 000 об./мин. Използват се също и за центрофуги и компресори. Отличават се с опростена конструкция, относително ниска цена (поради липсата на магнити) и стабилен ротор, подходящ за високоскоростни приложения. Като недостатъци се определят високите нива на акустичен шум, високите пулсации на въртящия момент в зависимост от броя на фазите и внедрения алгоритъм за управление, както и ниският фактор на мощността, дължащ се на пиковия ток с голяма величина на една фаза.

Стъпкови електродвигатели

Стъпковите двигатели се използват в медицинско оборудване, както и в оборудване за автомобилостроенето и научноизследователската дейност. Те предлагат прецизно позициониране и повторяемост на движението, тъй като имат точност от 3-5% на стъпка, като тази грешка не се прехвърля от една стъпка на друга и не се натрупва. Стъпковите електродвигатели са изключително надеждни, защото нямат контактни четки. Те обаче се характеризират с ниска ефективност - двигателят консумира значителна мощност независимо от товара.