Porównanie parametrów pracy silników synchronicznych z magnesami trwałymi oraz indukcyjnych asynchronicznych
| Automaticon 2015 ArtykułyW niedawnym wydaniu miesięcznika APA (nr 1/2015) opublikowany został nasz artykuł dotyczący silników serii EURA EVPM o klasie sprawności IE4. Kontynuując temat silników o najwyższej klasie sprawności, bieżący tekst poświęcono porównaniu parametrów pracy silnika EURA EVPM z silnikiem indukcyjnym asynchronicznym. Uzyskane parametry pracy obu silników zostały zestawione ze sobą i porównane pod kątem poboru mocy. Zapraszam do zapoznania się z tymi wynikami.
Cel i badania - praca silników synchronicznych i asynchronicznych
Celem badania jest porównanie parametrów eksploatacyjnych dwóch silników elektrycznych o różnej konstrukcji i sprawności zasilanych przez przemiennik częstotliwości.
Dwa badane silniki są poddawane tym samym obciążeniom, zasilane są przez przemiennik częstotliwości, pobór mocy rejestrowany jest przez analizator poboru mocy, moment obciążeniowy zadawany jest poprzez proszkowy hamulec elektromagnetyczny. Przemiennik częstotliwości ma sterowanie wektorowe bezczujnikowe i dwa tryby sterowania:
- dla silników synchronicznych - tryb PM-SVC (Permanent Magnet - Sensorless Vector Control),
- dla silników asynchronicznych - tryb IM-SVC (Induction Motor - Sensorless Vector Control).
Każdy z silników pracuje z odpowiednim sterowaniem.
Specyfikacja techniczna urządzeń zastosowanych w badaniu
- Silnik synchroniczny typu EURA EVPM-402IN-4Y112D15S, moc P1= 4 kW, prędkość obrotowa n1=1400 rpm, prąd nominalny I=8,7 A, zasilanie 3f~400 V/100 Hz
- Silnik asynchroniczny typu MS2 112M-4, moc P1=4 kW, prędkość obrotowa n1=1440 rpm, prąd nominalny I=8,23 A, klasa sprawności IE2, zasilanie 3f~400 V/50 Hz
- Przemiennik częstotliwości typu EURA E-2000-004T3, moc P1=4 kW, wersja oprogramowania 5.04, sterowanie wektorowe w otwartej pętli
- Obciążenie: wentylator promieniowy podłączony poprzez sprzęgło
- Obciążenie: proszkowy hamulec elektromagnetyczny podłączony poprzez sprzęgło
Wyniki badań - praca silników synchronicznych i asynchronicznych
Silniki obciążone wentylatorem promieniowym
Przez przemiennik częstotliwości zadawana jest prędkość obrotowa, ta sama dla każdego silnika. Dla silnika EVPM zastosowano sterowanie w trybie PM-SVC dla silnika MS2 zastosowano sterowanie w trybie IM-SVC.
 |
 |
Silniki obciążone stałym momentem 25,5 Nm
Moment zadawany jest przez proszkowy hamulec elektromagnetyczny. Poprzez przemiennik częstotliwości zadawana jest prędkość obrotowa, ta sama dla każdego silnika. Dla silnika EVPM zastosowano sterowanie w trybie PM-SVC, dla silnika MS2 zastosowano sterowanie w trybie IM-SVC.
 |
 |
Silniki obciążone stałym momentem 12,75 Nm
Moment zadawany jest przez proszkowy hamulec elektromagnetyczny. Poprzez przemiennik częstotliwości zadawana jest prędkość obrotowa, ta sama dla każdego silnika. Dla silnika EVPM zastosowano sterowanie w trybie PM-SVC, dla silnika MS2 zastosowano sterowanie w trybie IM-SVC.
 |
 |
Silniki o zadanej tej samej prędkości obrotowej n1=1500 rpm
Moment zadawany jest przez proszkowy hamulec elektromagnetyczny. Poprzez przemiennik częstotliwości zadawana jest prędkość obrotowa. Dla silnika EVPM zastosowano sterowanie w trybie PM-SVC, dla silnika MS2 zastosowano sterowanie w trybie IM-SVC.
 |
 |
Silniki o zadanej tej samej prędkości obrotowej n1=750 rpm
Moment zadawany jest przez proszkowy hamulec elektromagnetyczny. Poprzez przemiennik częstotliwości zadawana jest prędkość obrotowa. Dla silnika EVPM zastosowano sterowanie w trybie PM-SVC, dla silnika MS2 zastosowano sterowanie w trybie IM-SVC.
 |
 |
Zmiany w przepisach dotyczące silników
Wynaleziony w 1889 roku przez Michała Doliwo-Dobrowolskiego genialny w swojej prostocie konstrukcyjnej trójfazowy silnik indukcyjny z wirnikiem klatkowym stanowi obecnie podstawę napędów przemysłowych. Silniki są największym odbiorcą energii elektrycznej zużywanej w europejskiej gospodarce, a ostatnie lata w przeszło stuletniej historii produkcji i użytkowania silników indukcyjnych to czas ważnych wydarzeń o charakterze legislacyjno-naukowym. Te ostatnie wpływają w istotny sposób - szczególnie w Europie - na zasady projektowania, badania, produkcji i sprzedaży silników indukcyjnych.
Do omawianych wydarzeń należy zaliczyć ustanowienie w latach 2007-2008 dwóch nowych norm międzynarodowych IEC dotyczących wyznaczania sprawności i oznaczania klasami sprawności silników indukcyjnych (przyjętych następnie jako normy europejskie EN) oraz przyjęcie w lipcu 2009 roku Rozporządzenia Komisji Europejskiej nr 640/2009 w sprawie wdrażania Dyrektywy 2005/32/WE Parlamentu Europejskiego dotyczącej wymogów ekoprojektu dla silników elektrycznych. W Europie przez dziesiątki lat sprawność silników elektrycznych, w tym indukcyjnych, traktowana była de facto jako parametr drugorzędny. Ma to być zmienione już od 2015 roku dzięki przyjętym przepisom prawa i nowym normom.
Budowa silników evpm i korzyści dla użytkowników
W porównaniu z dotychczasowymi silnikami trójfazowymi, seria EVPM cechuje się bardzo wysokimi parametrami technicznymi, kulturą pracy m.in. dzięki wysokiej sprawności energetycznej - spełnia wymogi klasy IE4 Super Premium - dynamice oraz kompaktowej budowie. EVPM to silnik synchroniczny z magnesami trwałymi (PMSM) charakteryzujący się wyjątkowymi zaletami. Użycie magnesów trwałych zapewniło większą gęstość energii w stosunku do wielkości silników indukcyjnych.
Dzieje się tak, ponieważ w silnikach indukcyjnych część prądu stojana jest zużywana do "wywołania" prądu wirnika w celu wytworzenia strumienia wirnika. Te dodatkowe prądy generują ciepło wewnątrz silnika, co oznacza straty. W silnikach EVPM strumień wirnika jest ustalony przez magnesy stałe na wirniku, co pozwoliło uzyskać dużą sprawność.
Silniki EVPM wykorzystują magnesy trwałe, które są zamontowane na powierzchni wirnika. To sprawia, że silnik staje się magnetycznie "okrągły", a moment obrotowy silnika jest wynikiem siły reakcji między magnesami na wirniku i elektromagnesów stojana. Zapewnia to optymalne wartości kąta siły elektromotorycznej, co jest uzyskiwane poprzez regulację prądu.
Z punktu widzenia użytkownika silniki EVPM oferują połączenie cech napędu wykorzystującego bezszczotkowe silniki prądu stałego (BLDC) i zalety silnika indukcyjnego. Silniki dostępne są w zakresie mocy od 0,75 kW do 30 kW w dwóch prędkościach obrotowych: 1500 rpm i 3000 rpm, i przystosowane do pracy z przemiennikami częstotliwości, które mają funkcje sterowania silników PMSM.
Dzięki kompaktowej budowie silniki EVPM mają mniejsze gabaryty niż wersje indukcyjnych. Można to stwierdzić na przykładzie silników EVPM o mocy 1,5 kW i wielkości obudowy 71M. Dla porównania - aby zapewnić taką samą moc, silniki indukcyjne dostępne są w obudowie 90S. Mniejsza wielkość obudowy silników serii EVPM (mniejszy wznios wału) przy zachowaniu tych samych parametrów mocy i momentu jak w silnikach indukcyjnych daje mniejszą bezwładność, co poprawia dodatkowo sprawność całego układu napędowego.
Najważniejsze cechy techniczne silników EVPM:
|
Podsumowanie badań nad silnikami
Bez względu na zmianę obciążenia przy tej samej prędkości obrotowej (pkt. 4 i pkt. 5) lub przy zmianie prędkości obrotowej przy stałym obciążeniu (pkt. 2 i pkt. 3) pobór mocy silnika EVPM jest zawsze niższy niż standardowego silnika asynchronicznego. Stąd można stwierdzić, że silnik EVPM jest bardziej energooszczędny niż silnik MS2 o klasie sprawności IE2. Należy przy tym zwrócić uwagę, że większa energooszczędność silnika EVPM (w porównaniu do asynchronicznego o klasie sprawności IE2) jest obserwowana także przy lekkim obciążeniu lub przy niskiej prędkości obrotowej. Silnik EVPM można sklasyfikować w klasie sprawności IE4 Super Premium.
Zainstalowanie silnika typu EVPM, szczególnie w aplikacjach wentylatorowych i pompowych oraz tam, gdzie wymagana jest praca >16 rob./godz., spowoduje zauważalną poprawę kultury pracy napędu oraz wpłynie znacząco na obniżenie kosztów eksploatacyjnych. Wynika to wprost z większej sprawności silnika EVPM.
Badania wykonał: Dział Badań EURA Drives Electric Co.,Ltd.; Data: 2 lutego 2015 roku
HF Inverter Polska
www.hfinverter.pl
