Чтобы удовлетворить быстро растущий спрос рынка на высокоэффективное оборудование для водохозяйственного комплекса, SKF разработала инновационное и рациональное решение для центробежных аэрационных воздуходувок с прямым приводом. SKF предлагает новую линейку высокоскоростных электродвигателей с постоянными магнитами (PM-электродвигателей), оснащённых активными магнитными подшипниками (AMB) с контроллерами магнитных подшипников последнего поколения (MBC). Номинальная выходная мощность находится в диапазоне от 75 до 350 кВт при частотах вращения до 35 000 об/мин.

Эта линейка высокоэффективных электродвигателей в сухом исполнении имеет ряд отличительных особенностей, улучшающих эксплуатационные характеристики воздуходувки. В решении прямого привода SKF для систем аэрационных воздуходувок используется меньшее количество механических деталей, чем в системах обычных приводов, что означает сокращение объёма техобслуживания и повышение надёжности. Магнитные подшипники обеспечивают мощные средства встроенного контроля и диагностики, которые предоставляют пользователям инструмент для выявления возможных источников неисправностей и предотвращения отказов оборудования. Эта продукция была впервые представлена на выставке Hannover Messe 2013 в Германии и вызвала большой интерес у производителей воздуходувок во всем мире. Благодаря высокоэффективной работе решение SKF для систем аэрационных воздуходувок включено в линейку продукции в рамках программы SKF BeyondZero.

Проблемы биологической очистки сточных вод
По прогнозам, к 2030 г. почти половина населения Земли может столкнуться с нехваткой водных ресурсов, при превышении спроса над предложением на 40 %. Таким образом, возрастает необходимость разработки более совершенной и эффективной технологии очистки сточных вод. При биологической очистке воздуходувки нагнетают сжатый воздух в аэрационные резервуары, чтобы поддержать жизнь миллионов аэробных бактерий, которые используют кислород для разложения органических отходов в сточных водах.

Традиционная конструкция центробежных воздуходувок строилась на основе асинхронных электродвигателей с механическим редуктором, и обычно в таких системах имели место высокие потери мощности и износ. Затраты на техническое обслуживание такой системы на основе традиционной технологии велики. Кроме того, воздуходувки потребляют энергию, которая обычно составляет 50 % или более от общего энергопотребления водоочистных сооружений. Фактически до 80 % затрат на воздуходувки в течение срока их службы связаны с потреблением электроэнергии. Таким образом, первоначальная цена приобретения оборудования гораздо менее важна, чем совокупные расходы на эксплуатацию.

Естественный синергетический эффект
Это решение SKF сочетает в себе самые передовые технологии синхронных электродвигателей с постоянными магнитами и активных магнитных подшипников. Оно позволяет взять лучшее от обеих технологий: высокий КПД электродвигателей с постоянными магнитами и не имеющую себе равных надёжность активных магнитных подшипников (AMB).

Электродвигатель с постоянными магнитами – это трёхфазный синхронный электродвигатель переменного тока, имеющий обмотки статора и постоянные магниты на роторе (рис. 1). Ротор работает примерно так же, как компас, поворачиваясь за электромагнитным полем, которое создаёт статор. Ротор вращается с той же скоростью, что и вращающееся магнитное поле статора. Иными словами, вращение вала синхронизировано с частотой тока. Постоянные магниты из редкоземельных металлов устанавливаются непосредственно на валу и крепятся муфтой из углеродного волокна. Частота вращения регулируется приводом с регулируемой частотой вращения.

Технология электродвигателей с постоянными магнитами имеет значительные преимущества по сравнению с обычными асинхронными электродвигателями. Прежде всего, это высокий КПД, до 98 %, который может быть достигнут в широком рабочем диапазоне (рис. 2). Такой электродвигатель компактнее и легче. Он имеет превосходную характеристику зависимости крутящего момента от частоты вращения, более длительный срок службы и более высокую плотность мощности. Он может работать в широком диапазоне частот вращения (например, от 10 000 до 35 000 об/мин). Конструкция прямого привода, когда рабочее колесо монтируется непосредственно на валу электродвигателя, исключает необходимость зубчатой передачи и других связанных с ней механических деталей, используемых в традиционных установках, что делает конструкцию более надёжной при существенном сокращении объёма необходимого техобслуживания.

Активный магнитный подшипник – это передовое мехатронное устройство, которое обеспечивает бесконтактную поддержку вращающегося или неподвижного вала, подвешенного в магнитном поле. Положение вала поддерживается путём воздействия на ротор управляемых электромагнитных сил как в радиальном, так и в осевом направлениях.

Система состоит из электромеханической (подшипники, датчики) и электронной (контроллер) частей. Решение, разработанное для воздуходувок, состоит из двух одинаковых подшипниковых картриджей в статоре, которые обеспечивают формирование сил, воздействующих на вал как в радиальном, так и в осевом направлениях. Каждый картридж включает в себя собственно подшипник, датчики положения, датчики температуры и страховочные подшипники. Датчики положения измеряют радиальные и осевые смещения вала с точностью менее микрона. Подшипники проектируются и изготавливаются с изоляцией класса H (с максимальной рабочей температурой до 180 °C). Страховочные подшипники выполняют защитную функцию – поддерживают вал в состоянии покоя, но не работают, когда магнитные подшипники включены. При срабатывании страховочных подшипников радиальный зазор или магнитный воздушный зазор между статором и ротором составляет порядка 500 микрон. Такая конструкция обуславливает отсутствие соприкосновения и износа деталей, а также необходимости смазывания.

Электронный контроллер магнитных подшипников (MBC) состоит, главным образом, из цифрового процессора сигналов (DSP), мозгового центра системы и усилителей мощности, которые подают электрический ток на магнитные подшипники для создания магнитного поля. DSP собирает данные о положении вала с высокой частотой обновления значений (например, 15 кГц) от датчиков положения, исправляет ошибки с помощью сложных алгоритмов и регулирует мощность усилителей, так чтобы вал поддерживался в требуемом положении в радиальном и осевом направлениях.

Система AMB обеспечивает жёсткие и демпфирующие усилия и может влиять на динамическое поведение ротора во время работы. Жёсткость и демпфирование подшипников оптимизируются с помощью сложных математических алгоритмов, в результате чего обеспечивается устойчивая работа машины в широком диапазоне условий эксплуатации. Такое активное управление фундаментальным образом отличается от того, что имеет место в случае обычных подшипников, и оно обеспечивает ряд преимуществ, таких как контроль вибрации и разбалансировки. Энергопотребление системы управления магнитными подшипниками очень низкое. Например, контроллер последнего поколения, используемый для управления электродвигателем мощностью 75–350 кВт, потребляет менее 200 Вт.

Система оснащается резервным источником питания для поддержания магнитного подвеса в случае отказа питания от сети. В случае отключения сети электропитания электродвигатель переключается в режим генератора, обеспечивая питание магнитных подшипников, пока вал замедляется до низкой частоты вращения и останавливается на шарикоподшипниках без какого-либо повреждения оборудования.

Эти электродвигатели поставляются в полностью собранном виде и готовы к установке (рис. 3). В зависимости от мощности электродвигателя и требуемого охлаждения корпус электродвигателя имеет конструкцию, рассчитанную либо на воздушное, либо на водяное охлаждение. Устройства охлаждения (вентиляторы, теплообменники, насосы) предоставляет клиент. MBC встраивается в воздуходувку вместе с приводом с регулируемой частотой вращения и другими электронными устройствами. Связь между MBC и контроллером воздуходувки поддерживается по протоколу Modbus. Кроме того, контроль рабочих параметров и поиск и устранение неисправностей можно выполнить с помощью внешнего ПК, подключаемого к порту ethernet, и пакета программного обеспечения MBScope (рис. 4). Приводы с регулируемой частотой вращения поставляет ряд сертифицированных изготовителей. Электродвигатель и электронные устройства затем встраиваются в блок воздуходувки пользователя, образуя компактное конечное изделие (рис. 5), готовое к установке на водоочистные сооружения. Объём поставки может меняться от ключевых элементов до полного комплекта, обеспечивая потребителю гибкость с точки зрения проектирования системы или преимущество получения всех элементов от единого поставщика.

Преимущества
Сочетание высокоскоростного электродвигателя с постоянными магнитами и подшипников AMB имеет множество преимуществ:

• обеспечивает более высокий КПД при штатных и неполных нагрузках – преимущество по сравнению с обычными электродвигателями составляет 10 %
• обеспечивает более высокую надёжность оборудования
• практически не требует технического обслуживания
• предоставляет пользователям мощные инструменты диагностики
• оптимизирует управление технологическим процессом
• продлевает общий срок службы
• обеспечивает снижение расходов на строительство ввиду того, что конструкция получается более компактной
• снижает уровень шума
• соответствует требованиям нормативных документов.

Описываемое здесь решение отвечает всем этим требованиям и представляет собой выбор технологии будущего.

Практическое применение
На водоочистном сооружении во Франции, которое обслуживает город с населением 100 000 человек и местное промышленное производство, использовались четыре лепестковых воздуходувки мощностью 80 кВт, которые создавали эксплуатирующей компании ряд проблем, включая частые поломки, высокое энергопотребление, высокие уровни шума и проблемы с технологическим процессом очистки. После замены лепестковых воздуходувок двумя новыми центробежными воздуходувками мощностью 120 кВт, которые были оснащены решением SKF на основе высокоскоростных электродвигателей с постоянными магнитами, результаты были получены сразу и оказались весьма удовлетворительными. Воздуходувки с регулируемой частотой вращения, оснащённые решением SKF, упростили регулирование расхода, значительно улучшив технологический процесс очистки. Уровни шума упали с 110 дБа до 70 дБа, и значительно сократился объём технического обслуживания. В отношении наиболее важного аспекта – энергопотребления – результаты оказались ещё более впечатляющими. Всего только за год эксплуатации воздуходувки, оснащённые решением SKF, сократили выбросы CO₂ на сооружении на 375 тонн, а эксплуатационные расходы снизились на 54 000 евро. Переход на более эффективные воздуходувки с магнитными подшипниками обеспечил короткий срок окупаемости (менее двух лет) только за счёт одного энергосбережения.

Этот практический пример служит хорошей иллюстрацией стратегии, направленной на снижение эксплуатационных расходов. Удачный выбор правильного оборудования привёл к существенной экономии денежных средств.

Новое предложение
Некоторые ведущие изготовители промышленных воздуходувок уже начали использовать решение SKF. Например, AyrJet^® Series 100, воздуходувка с небольшой площадью основания, выпускаемая американской компанией Spencer Turbine и приводимая в действие 75-киловаттным электродвигателем SKF. Эта высокоскоростная высокоэффективная одноступенчатая турбовоздуходувка была представлена на WEFTEC, крупнейшей в Северной Америке выставке, посвящённой качеству воды, которая прошла в октябре 2013 г. Майк Уолфер, президент и генеральный директор Spencer Turbine, описал это так: «Эксплуатационные характеристики, надёжность и долговечность нашей продукции зависят от прочных партнёрских отношений по всей нашей цепочке поставок. Компания Spencer тесно сотрудничает со всеми своими поставщиками, чтобы обеспечить наивысшее качество нашей конечной продукции и её соответствие требованиям конкретной системы у наших клиентов, занятых водоподготовкой и очисткой сточных вод».

Другим примером может служить компания Jin Tong Ling Fans Co. Ltd. из провинции Цзянсу – ведущий производитель воздуходувок в Китае. Эта компания подписала соглашение на разработку нескольких воздуходувок большой мощности с приводом от электродвигателей SKF. Спрос в Китае огромен, несколько сотен новых водоочистных сооружений строятся ежегодно. Фактически в 12-м пятилетнем плане (2011–2015 гг.) выделено 380 млрд юаней (порядка 46 млрд евро) только на инвестиции в очистку городских канализационных стоков.

SKF поставляет интегрированные инженерные решения, которые отвечают глобальным и локальным потребностям. Новое предложение линейки электродвигателей мощностью 75–350 кВт рассчитано на то, чтобы удовлетворить ожидания всех крупных мировых изготовителей центробежных воздуходувок.

BeyondZero является торговой маркой SKF Group
MBScope является зарегистрированной торговой маркой SKF Group

Историческая справка:
В 1976 г. французская компания S2M, в дальнейшем – дочерняя компания SKF, стала первой в мире компанией, наладившей серийный выпуск магнитных подшипников для турбомолекулярных вакуумных насосов, применяемых в производстве полупроводников. В 1985 г. компания впервые поставила магнитные подшипники для первого в мире сухого компрессора природного газа.

В 2007 г. компания S2M была полностью поглощена SKF Group. На сегодняшний день в отделении магнитной мехатроники SKF занято более 250 сотрудников по всему миру, а годовой оборот составляет 50 миллионов евро. Головной офис компании находится в Верноне, Франция, (в 80 км к западу от Парижа) и занимается научными исследованиями и разработкой, проектированием, изготовлением, маркетингом и сервисной поддержкой.

Недавно магнитные подшипники S2M SKF были выбраны для оснащения компрессоров и высокоскоростных электродвигателей для подводных газовых компрессорных систем, находящихся в Северном море в Норвегии. В нефтегазовом сегменте марка магнитных подшипников S2M SKF хорошо известна и пользуется заслуженной репутацией. Помимо нефтегазового сектора, компания поставляет безмасляные электродвигатели с постоянными магнитами для ведущих изготовителей узлов вращения промышленного оборудования.