Jak zbudować energooszczędny silnik?

CZĘŚĆ 2: SPRAWNOŚĆ SILNIKÓW I SYSTEMÓW NAPĘDOWYCH

W drugiej części artykułu omawiamy techniczne aspekty zagadnień związanych z energooszczędnością silników. W szczególności przedstawiamy opis konstrukcji silników oraz układów napędowych, wskazując na miejsca występowania w nich strat energii.

STRATY ENERGII W SILNIKACH ELEKTRYCZNYCH

Rys. 3. W energooszczędnych silnikach wprowadza się zmiany konstrukcyjne, które pozwalają ograniczyć straty energii:
(a) straty mechaniczne ogranicza się, minimalizując tarcie w łożyskach,
(b) straty dodatkowe zmniejsza się, odpowiednio dobierając szczelinę powietrzną,
(c) straty w rdzeniu ogranicza się stosując blachy wyższej jakości,
(d) grubsze uzwojenia zmniejszają straty obciążeniowe,
(e) dąży się też do ograniczenia oporu aerodynamicznego łopatek wentylatora.

Sprawność energetyczną silników elektrycznych można zwiększyć przede wszystkim, ograniczając straty energii, która zamieniana jest 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 oraz 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 oraz 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 również objawia się zmianami gęstości prądu. Szacuje się, że łącznie straty obciążeniowe w uzwojeniach wirnika i stojana stanowią około 50% wszystkich strat energii w silniku.

Jaki jest czas zwrotu inwestycji?

Wpisując w wyszukiwarce Google frazę "Energy Saving Calculator Siemens", znaleźć można podstronę firmy Siemens, gdzie dostępny jest kalkulator online (oraz jego rozszerzoną wersja do pobrania). Pozwala on na szybkie wyliczenie rocznej oszczędności energii i kosztów w przypadku użycia silników o różnych mocach i klasach sprawności.

Zrzuty ekranu przedstawiają przykładowe wyliczenia dla silników czterobiegunowych o mocach 7,5kW i 110kW. Jak widać przejście z wersji IE1 na IE2 skutkuje zmniejszeniem zużycia energii o około odpowiednio 1MW i 5MW na rok. Obliczenia wykonano dla czasu pracy 3,5 tys. godzin rocznie, przy czym wartości zależne są też od sprawności samych silników.

STRATY W STALI, TARCIA I DODATKOWE

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 występowaniem prądów wirowych indukowanych 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 również około 15% wszystkich strat energii w silniku.

Oprócz opisanych czynników na sprawność silnika wpływ mają też tzw. straty dodatkowe powstające 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 ZBUDOWAĆ ENERGOOSZCZĘDNY SILNIK?

Rys. 4. Każdy z komponentów ma znaczenie dla całkowitej sprawności energetycznej układu napędowego - eliminując elementy najbardziej stratne, można znacząco poprawić wypadkową sprawność systemu

Z opisu głównych przyczyn strat energii w silnikach wynika, że w celu ograniczania ilości generowanego ciepła należy zmodyfikować ich konstrukcję. Zmiany wprowadzane w tym celu w energooszczędnych silnikach można podzielić na trzy grupy. Pierwsza obejmuje przeprojektowanie komponentów silnika, w tym głównie zmiany 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 też 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. 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 innowacje 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.