wersja mobilna
Online: 400 Wtorek, 2017.01.24

Temat miesiąca

Silniki energooszczędne - Strona 3

środa, 11 stycznia 2017 11:11

W styczniu weszły w życie kolejne regulacje określające minimalną sprawność energetyczną silników elektrycznych o mocach od 0,75 do 375 kW. Przedstawiamy kompendium informacji na ten temat oraz rozwiązania konstrukcyjne stosowane przez producentów silników. Na przykładach wyjaśniamy również wątpliwości, które mogą pojawić się przy interpretacji nowych przepisów, a także zapowiadamy plany Komisji Europejskiej w zakresie przyszłych zmian w prawodawstwie.

Spis treści » Część 1. Przepisy i normy
» Czy IEC 60034-30:2008 wciąż obowiązuje??
» Jak wyznaczyć sprawność silnika?
» Poprawa sprawności dzięki ekoprojektowi
» Najważniejszy dokument to 640/2009
» Harmonogram wycofywania z rynku silników małej sprawności
» Rozporządzenie wdrażające dyrektywę w sprawie ekoprojektu
» Gdzie umieścić informacje o sprawności silnika?
» Jak się sprawdza, czy producent podał prawdę?
» Część 2. Jak projektowane i wytwarzane są silniki energooszczędne?
» Klasyfikacja strat w silniku
» Straty w stali, na tarcie i inne straty
» Jak wytwarzane są silniki energooszczędne?
» Przy okazji poprawia się parametry użytkowe
» Silniki PM i LSPM
» Rozmowa z Magdaleną Muszyńską z Emerson Industrial Automation
» Pokaż wszystko
CZĘŚĆ 2. JAK PROJEKTOWANE I WYTWARZANE SĄ SILNIKI ENERGOOSZCZĘDNE?

Wytwarzanie silników o wysokim poziomie sprawności wymaga stosowania szeregu rozwiązań konstrukcyjnych i nowych rodzajów materiałów, które przyczyniają się do redukcji strat energii podczas pracy. W drugiej części przedstawiamy wykaz zagadnień z tym związanych oraz sposoby producentów na tworzenie wydajnych energetycznie silników elektrycznych.

Silniki z magnesami trwałymi - silniki typu Line Start Permanent Magnet, zaprojektowane do pracy z prostymi falownikami ze sterowaniem u/f, w kilku rozmiarach (71S do 100L), o kompaktowej budowie i niewymagające konserwacji; w ramach oferty występują m.in.: wersje DRU.. J w klasie IE4 o mocach 0,18 do 3 kW, wersje DRP.. J w klasie IE3 o mocach 0,37 do 4 kW oraz DRE.. J w klasie IE2 o mocach 0,37 do 4 kW.
www.sew-eurodrive.pl

Silniki trójfazowe asynchroniczne - klasa sprawności IE3, stopień ochrony IP55, klasa izolacji F, temperatury pracy od -20 do +40°C, klasa korozyjności C3, zakres mocy: 0,75 - 355 kW, wielkość mechaniczna: 80 - 355, obroty: 3000, 1500, 1000 na minutę.
mollmotor.pl

Silniki M3BP - klasa sprawności IE4, zakres mocy od 75 do 355 kW, zakres wzniosu wału od 280 do 355, żeliwny kadłub.
www.abb.com

KLASYFIKACJA STRAT W SILNIKU

Sprawność energetyczną silników elektrycznych zwiększa się przede wszystkim, ograniczając straty energii zamienianej na ciepło. W czasie pracy silnika przemiana taka zachodzi zarówno w wirniku i w stojanie, jak i w dodatkowych elementach. Straty ogólnie podzielić można na cztery grupy: straty w uzwojeniu (tzw. straty w miedzi lub, inaczej, obciążeniowe), w rdzeniu (tzw. straty w stali), straty mechaniczne (tarcia) oraz straty dodatkowe.

Straty obciążeniowe występują w uzwojeniach wirnika i stojana. W wyniku przepływu prądu w postaci ciepła wydziela się moc strat proporcjonalna do kwadratu natężenia prądu i rezystancji przewodnika. Straty w uzwojeniach zmieniają się w zależności od obciążenia silnika i w wyniku zmiany rezystancji. To ostatnie zachodzi m.in. na skutek wahań temperatury otoczenia.

Zmianę rezystancji ΔR można w takim wypadku wyznaczyć ze wzoru: ΔR=α×(R×ΔT), gdzie: α to temperaturowy współczynnik rezystancyjny przewodnika, R - rezystancja w temperaturze odniesienia, a ΔT - zmiana temperatury.

W przypadku uzwojenia miedzianego przyrost temperatury o każde 10°C oznacza zwiększenie się jego rezystancji o 4%. Na wzrost rezystancji uzwojeń w maszynach indukcyjnych wpływ ma także zjawisko naskórkowości i tzw. efekt sąsiedztwa. Pierwszy polega na zagęszczaniu się prądu przy powierzchni przewodnika wraz ze wzrostem częstotliwości.

Efekt sąsiedztwa jest z kolei skutkiem wzajemnego oddziaływania na siebie pól w otoczeniu sąsiadujących ze sobą przewodników i też objawia się zmianami gęstości prądu. Szacuje się, że łącznie straty obciążeniowe w uzwojeniach wirnika i stojana stanowią około 50% wszystkich strat energii w silniku.

STRATY W STALI, NA TARCIE I INNE STRATY

Straty w stali występują w obwodzie magnetycznym silnika, który stanowią rdzeń stojana i wirnika. Dzieli się je na tzw. straty na histerezę oraz straty na prądy wirowe. Te pierwsze wynikają ze strat energii potrzebnej do zmiany położenia domen w materiale magnetycznym w czasie jego okresowego przemagnesowywania, co następuje zgodnie z krzywą pętli histerezy. Niezależnie od strat histerezowych występują straty cieplne spowodowane prądami wirowymi indukowanymi w rdzeniach przez pole magnetyczne.

Razem wnoszą około 15-procentowy wkład w całkowite straty energii w silniku. Przyczyną strat mechanicznych jest z kolei tarcie, które występuje przede wszystkim w łożyskach. Energia tracona jest także na skutek oporu aerodynamicznego, który napotykają części wirujące silnika - wirnik oraz łopatki zintegrowanego z wirnikiem wentylatora chłodzącego silnik. Straty na tarcie stanowią także około 15% wszystkich strat energii w silniku.

Oprócz opisanych czynników na sprawność silnika wpływ mają również tzw. straty dodatkowe. Powstają one przede wszystkim na skutek harmonicznych pola magnetycznego w obrębie szczeliny powietrznej między stojanem i wirnikiem.

Ich przyczyną jest głównie nierównomierna grubość tej szczeliny spowodowana sposobem rozmieszczenia żłobków wirnika i stojana, rozbieżnościami w zakresie ich wymiarów oraz samym sposobem ułożenia uzwojeń w tych żłobkach. Niedokładności te są wynikiem zaniedbań na etapach projektowania oraz produkcji elementów stojana i wirnika. Straty dodatkowe stanowią z reguły około 20% wszystkich strat energii w silniku.

JAK WYTWARZANE SĄ SILNIKI ENERGOOSZCZĘDNE?

Z opisu głównych przyczyn strat energii w silnikach wynika, że aby ograniczyć ilość generowanego ciepła, należy zmodyfikować ich konstrukcję. Zmiany wprowadzane w tym celu w silnikach energooszczędnych można podzielić na trzy grupy. Pierwsza obejmuje przeprojektowanie komponentów silnika, w tym głównie zmianę ich wymiarów.

Oddzielnym zadaniem jest zapewnienie większej precyzji w zakresie wykonania poszczególnych elementów. Trzecia zmiana dotyczy z kolei wykorzystania do produkcji komponentów silnika materiałów o wyższej jakości i lepszych parametrach, co obejmuje m.in. zwiększanie ilości materiałów czynnych, głównie miedzi. Aby przykładowo ograniczyć straty obciążeniowe, dąży się do zmniejszenia rezystancji uzwojeń.

W tym celu zwiększa się pole przekroju poprzecznego uzwojeń stojana oraz stosuje grubsze uzwojenia wirnika. Dodatkowo w ostatnim przypadku często zastępuje się aluminium miedzią. Grubsze uzwojenia sprawiają, że konieczne staje się zwiększenie rozmiarów żłobków, co czyni się kosztem powierzchni rdzeni wirnika i stojana. Należy to uwzględnić w projekcie, odpowiednio zwiększając rozmiar tych ostatnich.

Ponadto, aby minimalizować straty miedzi, w przypadku stojana zmniejsza się również długość czołowych połączeń uzwojeń. Straty w rdzeniu można zmniejszyć, stosując do jego produkcji blachy wyższej jakości, które - jak na przykład stal magnetyczna - charakteryzują się mniejszymi stratami w procesie przemagnesowywania.

Andrzej Czernecki

STERNET

  • Jak zwiększać sprawność i efektywność energetyczną układów napędowych?

Rozpatrując układ napędowy w kontekście uzyskania oszczędności energii elektrycznej i polepszenia wskaźników ekonomicznych nie powinniśmy skupiać się tylko i wyłącznie na klasie sprawności silników, tj. IE2, IE3 czy IE4.

Typowy układ napędowy to: przemiennik częstotliwości + silnik + reduktor + sprzęgło (opcjonalnie). Sumaryczna sprawność jest iloczynem sprawności poszczególnych członów składowych:

ηtotal = η1×η2×η3×...×ηi

Element o najmniejszej sprawności wyznacza sprawność całego układu napędowego!

Rozpatrzmy prosty przykład. Częstą praktyką jest stosowanie tanich i łatwo dostępnych reduktorów ślimakowych bez wyraźnego uzasadnienia technicznego. Sprawność takiego reduktora to zazwyczaj około 60%. Przykładowo sprawność silnika asynchronicznego od uznanego producenta (5,5 kW, 1500 obr/min, klasa IE3) to około 90% przy obciążeniu powyżej ¾ mocy znamionowej. Sprawność przekształtnika AC około 98%. Stąd też:

ηślimakowa = 0,60×0,90×0,98 = 0,52

Tymczasem typowa przekładnia walcowo stożkowa ma sprawność na poziomie 94-98% zależnie od ilości stopni przełożenia.

ηstożkowa = 0,94×0,90×0,98 = 0,82

W powyższym przykładzie, zastępując reduktor ślimakowy, np. walcowo stożkowym zauważymy, że moc zastosowanego silnika można zmniejszyć z 5,5 na 4 kW, zachowując ten sam moment mechaniczny na wyjściu z reduktora.

Zakładając, że w linii technologicznej pracuje kilkadziesiąt do kilkuset motoreduktorów, nawet o mniejszych mocach, w cyklach 16-24 godzin - to w skali roku mówimy już o konkretnych kwotach oszczędności.

Bagatelizowanym zagadnieniem jest również poprawny dobór sprzęgieł i ustawienie osiowości całego układu. W napędach dużej mocy prowadzi to, do tracenia znacznych ilości energii w postaci ciepła.

Każdy przypadek jest indywidualny i powinien być poprzedzony rzetelną analizą stanu istniejącego. Trafny dobór elementów składowych układu napędowego zdeterminowany jest przez szereg czynników. Dlatego warto postawić na partnera, który zaproponuje kompleksowe rozwiązanie napędowe w ujęciu całościowym. Dzięki temu zyskamy pewność, że wszystkie elementy układu napędowego są ze sobą kompatybilne i odpowiednio dobrane pod względem mocy i przeciążalności oraz pracują w optymalnym punkcie pracy

PRZY OKAZJI POPRAWIA SIĘ PARAMETRY UŻYTKOWE

Straty na ciepło wywoływane występowaniem prądów wirowych ogranicza się z kolei, zmniejszając grubość blach rdzeni. W celu zminimalizowania strat dodatkowych należy natomiast z większą precyzją wykonać żłobki. Jednocześnie tak dobiera się ich wymiary, aby uzyskać odpowiednią grubość szczeliny powietrznej między wirnikiem i stojanem również zoptymalizowaną pod kątem tych strat.

Ograniczenie strat mechanicznych uzyskuje się przede wszystkim, instalując łożyska, których konstrukcję (wymiary oraz materiały, z których zostały wykonane) opracowano w taki sposób, aby straty na ciepło w wyniku tarcia były możliwie najmniejsze.

To ostatnie dodatkowo ogranicza się, stosując specjalne smary. Ponadto instaluje się mniejsze wentylatory oraz projektuje wnętrze silnika, zapewniając jak największy swobodny przepływ powietrza w jego obrębie. Opisane rozwiązania nie tylko zwiększają sprawność energetyczną silników zaliczanych do grupy tych energooszczędnych, ale również poprawiają ich parametry eksploatacyjne w porównaniu do maszyn w wykonaniu standardowym. Na przykład dzięki temu, że nowe silniki generują mniej ciepła oraz charakteryzują się mniejszymi drganiami, ich niezawodność jest większa i pracują one ciszej.

SILNIKI PM I LSPM

Przedstawione metody poprawy sprawności są stosowane głównie w silnikach klasy IE2 i IE3. Jeżeli chodzi o urządzenia o najwyższej sprawności super premium, tj. klasy IE4, są to przede wszystkim silniki typu PM (Permanent Magnet), czyli z magnesami trwałymi. Silniki te są maszynami synchronicznymi, tzn. że nie ma poślizgu pomiędzy wirującymi polami wirnika i stojana, jak w trójfazowych silnikach indukcyjnych.

W przeciwieństwie do nich silniki PM nie mają uzwojeń wirnika. Zastępuje się je magnesami trwałymi umieszczanymi w głębi albo na powierzchni wirnika. W ten sposób eliminuje się straty w tej części silnika.

Silniki PM charakteryzuje znacznie większa sprawność niż silniki indukcyjne w czasie pracy z mniejszą prędkością. W porównaniu do tych o podobnej sprawności mogą być z kolei mniejsze. Ponieważ do produkcji magnesów trwałych potrzebne są pierwiastki ziem rzadkich, silniki tego rodzaju są niestety droższe.

Ich wadą jest oprócz tego konieczność użycia sterownika. Wysoka temperatura oraz duże natężenie prądu sprzyjają ich rozmagnesowaniu. Silne magnesy w wirniku utrudniają jego demontaż i wymuszają użycie specjalnych narzędzi. To z kolei utrudnia serwis tych maszyn.

Alternatywą są silniki typu LSPM (Line Start Permanent Magnet), czyli z magnesami trwałymi o rozruchu bezpośrednim. Stanowią one połączenie trójfazowego silnika indukcyjnego i silnika PM - mają wirnik klatkowy oraz magnesy wbudowane pod klatką. Uzwojenie tej ostatniej jest aktywne w czasie rozruchu. Po rozpędzeniu silnik pracuje synchronicznie. Co prawda konstrukcja tych maszyn jest złożona, przez co są droższe, jednak nie wymagają sterownika.

Silniki typu LSPM ma w swojej ofercie m.in. firma SEW Eurodrive. Przykładem jest seria DRU..J cechująca się klasą sprawności IE4 i zakresem mocy od 0,18 do 3 kW, w rozmiarach od 71S do 100L (patrz ramka) .

Monika Jaworowska

Przy tworzeniu artykułu korzystano m.in. z materiałów Komisji Europejskiej.



 

zobacz wszystkie Nowe produkty

Czytniki RFID 13,56 MHz o zasięgu transmisji do 0,2 m

2017-01-23   | SIEMENS Sp. z o.o.
Czytniki RFID 13,56 MHz o zasięgu transmisji do 0,2 m

Siemens dodał do systemu Simatic RF300 RFID trzy nowe typy czytników: RF310R, RF340R i RF350R. Zapewniają one zasięg transmisji do 0,2 metra i obsługę dodatkowego protokołu stosowanego w transponderach MOBY E (MIFARE classic, ISO 14443 A). Umożliwiają też automatyczne rozpoznawanie typu transpondera (RF300, ISO 15693, MIFARE classic), co ułatwia migrację z wcześniejszych systemów.
czytaj więcej

Przełączniki indukcyjne M08 w nowych wariantach o zwiększonym zasięgu pomiaru

2017-01-23   | Turck Sp. z o.o.
Przełączniki indukcyjne M08 w nowych wariantach o zwiększonym zasięgu pomiaru

Na ostatnich targach SPS IPC Drives firma Turck zaprezentowała nowe wersje przełączników indukcyjnych M08 zamykanych w obudowach M8. Zastosowane w nich rdzenie ferrytowe produkowane w oparciu o zmodyfikowaną technologię pozwoliły zwiększyć zasięg pomiaru o nawet 50%. Wersje do montażu typu flush mogą być teraz oferowane na zakres standardowy wynoszący do 2 mm i rozszerzony - do 3 mm.
czytaj więcej

Nowy numer APA