В электрических системах происходят кардинальные инновации, направленные на повышение энергоэффективности промышленных двигателей, которые приводят в действие вентиляторы, насосы и компрессоры. Компания TECO-Westinghouse, лидер в области разработки промышленных двигателей, стала одной из первых компаний, которая стала выводить промышленное оборудование совершенно на новый уровень скорости и энергоэффективности.

Промышленные двигатели — это довольно распространенные продукты, которые работают практически на каждом производственном предприятии по всему миру. Двигатели используются во всех областях промышленности и потребляют более 68% электроэнергии, используемой на производственных и технологических предприятиях. Технологические и конструктивные принципы, лежащие в основе промышленных двигателей, разрабатывались и утверждались на протяжении десятилетий. Однако потребность в более надежных, энергоэффективных двигателях, обеспечивающих более высокие уровни мощности и более широкий диапазон рабочих характеристик, ставит перед разработчиками и производителями вращающихся электрических систем сложные задачи.

Компания TECO-Westinghouse уже более 100 лет работает в области проектирования и применения двигателей. Предприятие вкладывает огромное количество сил и средств в разработку инновационных конструкций двигателей. Поскольку потребители, предприятия и государственные регулирующие органы в одинаковой степени настаивают на повышении энергоэффективности и меньшем воздействии на окружающую среду, дизайн-центр и команда НИОКР в TECO-Westinghouse работают над кардинальными инженерными решениями, которые могут оказать значительное влияние на глобальное использование энергии и экологическую устойчивость.

/   Цель проекта

Амбициозная цель проекта TECO-Westinghouse состоит в разработке полностью интегрированного, высокоскоростного двигателя мегаваттного класса и разработке высокочастотной системы привода с регулируемой скоростью, которые существенно влияют на энергопотребление машины. Новое поколение больших электрических машин должно было увеличить максимальную скорость вращения с 3 600 до 15 000 или даже до 20 000 оборотов в минуту, что позволило бы напрямую подключать их к высокоскоростным машинам, например к газовым компрессорам.

Кроме того, такие частотно-регулируемые приводы позволяют двигателю гибко адаптироваться к изменяющейся нагрузке. Новые технологии преобразователей энергии могут позволить регулируемым приводам получать энергию из сети на одной частоте, например 60 Гц, и преобразовывать ее в частоту, необходимую для питания этих высокоскоростных двигателей.

Новые приводы должны были не только обеспечивать мощность, требуемую для двигателя, но также обеспечивать реактивную мощность в сети, поддерживая отказоустойчивость сети.

/   Реализация проекта

TECO-Westinghouse Design вместе с партнерами по научным исследованиям пришлось преодолеть ряд сложных конструкторских проблем и находить ответы на важные вопросы в течение всего цикла разработки. Если роторы вращаются с чрезвычайно высокой скоростью, какое влияние это оказывает на охлаждение двигателя и температуру? Как это влияет на напряжения в роторе? Какие новые динамические и физические явления вступят в действие — и как это повлияет на вибрацию, износ и ротородинамическое поведение? Как высокая частота влияет на потери в двигателе? Какие компромиссы приемлемы, а какие нет?

Как и многие производители, TECO-Westinghouse была заинтересована в очень быстрой разработке и внедрении такого высокого уровня инноваций. А появление международных конкурентов означало, что необходимо не просто разработать новую технологию, но и минимизировать затраты для обеспечения конкурентоспособных цен на свою продукцию.

Чтобы разработать свой продукт, команда инженеров TECO-Westinghouse полагалась на самые современные инженерные решения, чтобы довести свою конструкцию до стадии прототипа. Компания использовала передовые инструменты проектирования и разработки, в том числе решения Ansys для моделирования и сокращения времени на разработку, минимизации финансовых затрат и рисков, связанные с исследованием экстремальных инновационных продуктов, таких как регулируемый привод.

Например, моделирование в Ansys позволило TECO-Westinghouse на очень раннем этапе найти компромисс с критически важными характеристиками. Разработчики смогли найти ответы на ключевые вопросы о терморегулировании, механическом напряжении и электромагнитных характеристик, применяя физические силы и воспроизводя реальные условия эксплуатации в безопасной виртуальной среде Ansys.

Инструменты моделирования Ansys позволили команде произвести тестирование производительности новых нетрадиционных материалов без создания физических прототипов. Помимо этого инженеры TECO-Westinghouse смогли изучить различные сценарии производства, чтобы заранее спрогнозировать производственные затраты.

В то время как TECO-Westinghouse в настоящее время создает полный прототип двигателя для испытаний в Университете Клемсона, команда разработчиков работает с высокой степенью уверенности, потому что конструкция была неустанно проверена и проверена в смоделированной рабочей среде, которая воспроизводит реальные условия. с высокой точностью. Ожидается, что это поддержит положительные результаты производительности, когда прототип будет запущен на испытания осенью 2018 года.

/   Результаты 

Лидерство TECO-Westinghouse в разработке промышленных двигателей нового поколения признано в отрасли, о чем свидетельствует грант, который получила компания от Министерства энергетики США. В сотрудничестве с исследователями из Клемсонского университета TECO-Westinghouse создал прототип нового двигателя и частотно-регулируемого привода, который осенью 2018 года был испытан на полной мощности на динамометре в лаборатории eGRID Duke Energy при университете Клемсона. Успешные испытания позволили вывести новый продукт на рынок уже осенью 2019 года.

TECO-Westinghouse ориентирована на поставку инновационных двигателей на мировой промышленный рынок. Хотя компания не занимается разработкой силовых установок, высокоскоростные роторы, регулируемые приводы и другие инновации, разработанные ее научно-исследовательской группой, могут иметь значение в других отраслях, где энергоэффективность имеет первостепенное значение, включая автомобилестроение и аэрокосмическую промышленность.

Двигатели или, если говорить шире, вращающиеся электрические машины составляют основу промышленного производства, электрических и гибридных транспортных средств и многих других электрических самолетов. TECO-Westinghouse решила проблему чрезвычайно высокоскоростного вращения и регулируемого управления скоростью, эти инновации могут вдохновить инженеров-разработчиков продукции и в других отраслях промышленности, что приведет к улучшениям в области энергоэффективности, выходящим далеко за рамки промышленных условий.