Sprawność silników PM i LSPM sięga klasy IE4

CZĘŚĆ 2. JAK POPRAWIĆ SPRAWNOŚĆ ENERGETYCZNĄ SILNIKA?

Sprawność energetyczną silników elektrycznych można zwiększyć, 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 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.

Magda Muszyńska

Emerson Industrial Automation

Jak wyglądają rzeczywiste, całościowe koszty użytkowania nowych silników? W jakim stopniu ich wyższa cena zakupu jest równoważona przez oszczędności energii podczas użytkowania?

Szacuje się, że całkowity koszt silnika elektrycznego w 10-letnim okresie użytkowania składa się w 2% z kosztu zakupu, natomiast aż w 98% z kosztu energii, którą silnik konsumuje. Warto zatem przyjrzeć się możliwościom redukowania tej ostatniej. Silniki IE3 są droższe, jednak każdy dodatkowy procent zyskany na sprawności silnika spowoduje oszczędności energii podczas użytkowania.

Weźmy za przykład wersję 200 kW, 1500 obr./min., która wykorzystywana jest do pracy ciągłej. Sprawność określona przez IEC 60034-30-1 powinna wynieść nie mniej niż 95,1% dla klasy IE2 i 96% w klasie IE3. Wydaje się, że różnica jest niewielka, jeżeli jednak silnik ten pracuje przy znamionowym obciążeniu przez 8 tys. godzin rocznie, to przy założeniu kosztu energii na poziomie 30 groszy otrzymamy oszczędności roczne w wysokości 4732 zł, co w praktyce skompensuje różnicę w cenie zakupu obydwu modeli i to w okresie znacznie krótszym niż rok! Ta argumentacja trafia oczywiście do użytkowników urządzeń, jednak dla producentów kluczowy jest koszt zakupu.

Kilka lat temu na rynku pojawiły się silniki standardowe do pracy w wyższych temperaturach otoczenia, co służyło "obejściu" przepisów w zakresie energooszczędności. Czy obecnie można spodziewać się powtórki z historii?

Rzeczywiście, pomimo obowiązujących przepisów, gros silników sprzedawanych na rynku polskim to były tzw. "silniki temperaturowe". Z punktu widzenia producenta silników sprostanie wymogom wysokich sprawności wymagało dużych nakładów inwestycyjnych związanych z R&D, dostosowaniem środków produkcji oraz zastosowaniem często nowych, lepszych komponentów do produkcji. W rzeczywistości silniki IE3 znacząco różnią się konstrukcją. Na dłuższą metę liczący się europejscy producenci nie będą zainteresowani utrzymywaniem podwójnej produkcji, tj. tańszych silników o niższych sprawnościach oraz silników wysokosprawnych.

Jakie są możliwości zwiększania sprawności całych systemów napędowych? Może stosować silniki synchroniczne?

Silnik elektryczny to jedynie jeden z elementów układu napędowego. Mówiąc o optymalizacji energetycznej układu, należy przede wszystkim właściwie dobrać poszczególne jego elementy. Pierwszym krokiem jest dobór mechaniki, w tym elementów pośrednich przeniesienia napędu (sprzęgła). Nie zapominajmy o montażu do urządzenia - niewłaściwe wyosiowanie czy złe wyważenie układu niekorzystnie wpływa nie tylko na sprawność. Jeśli mowa o samych silnikach elektrycznych, to często są one niepotrzebnie przewymiarowane w stosunku do potrzeb. Praca poniżej parametrów znamionowych niekorzystnie wpływa na sprawność i generuje moc bierną.

Duża część aplikacji to aplikacje o zmiennym obciążeniu - wówczas należy rozważyć zakup falownika, który pozwoli dostosować pobór mocy do obciążenia w sposób znacznie bardziej efektywny, niż mechaniczne układy regulacji. W przypadku niektórych aplikacji, takich jak pompy czy wentylatory, obniżenie prędkości za pomocą falownika do 50% spowoduje ośmiokrotny spadek poboru mocy! Rozwiązaniem premium w zakresie sprawności jeśli chodzi o aplikacje zmiennoprędkościowe, będą silniki synchroniczne. Charakteryzują się one sprawnością wyższą niż IE4 i, w przeciwieństwie do silników indukcyjnych, utrzymują wysoką sprawność w całym zakresie regulacji prędkości.

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.

SILNIK ENERGOOSZCZĘDNY, CZYLI JAKI?

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.

Rys. 4. Wartość rynku silników energooszczędnych w 2012 roku i prognoza na 2018

Przepisy napędzają popyt

Przepisy obowiązujące na całym świecie, które regulują dopuszczenie do użytku silników elektrycznych w zależności od ich sprawności energetycznej, promują te energooszczędne. Jak przewiduje Markets and Markets wartość globalnego rynku tych urządzeń zwiększy się dzięki temu do prawie 32 mld dol. w 2012 roku z blisko 92 mld dol. w 2018. Oznacza to średni roczny wzrost o około 20%.

2 W 1 - WIĘKSZA SPRAWNOŚĆ I LEPSZE 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.

Tobiasz Witor

Lenze Polska

Czy po zmianach zachodzących w przepisach i na rynku nadal będzie zapotrzebowanie na starsze. tj. mniej wydajne energetycznie, modele silników?

Trzeba wyjść od analizy naszych klientów. Jeśli produkują oni na rynki Unii Europejskiej to muszą się poddać regulacjom nałożonym przez Unię. Jeśli natomiast eksportują poza UE, szczególnie na wschód to jak obserwujemy, żadne normy nie obowiązują - i to nie tylko w polityce.

W Lenze jesteśmy otwarci na potrzeby odbiorców. Możemy wyprodukować silnik czy motoreduktor z IE1, lecz nie będzie on opatrzony znakiem CE. Z taką sytuacją mamy najczęściej do czynienia przy kontaktach z działami utrzymania ruchu, które to żądają oferty 1:1 na komponent Lenze, który np. został wyprodukowany w latach 90. zeszłego wieku.

Jakie są możliwości zwiększania sprawności całych systemów napędowych? Czy również w tym zakresie może się zmienić legislacja?

Wiemy o tym, że w Brukseli trwają prace nad nową klasą efektywności dla systemów napędowych IES. W Lenze przygotowujemy się również na te nowości. PDS, czyli Power Drive System, będzie obliczany w oparciu o poziom strat odniesionych do mocy znamionowej. I tak będziemy mieli co najmniej 3 klasy: IES 0 - gdzie straty wynoszą powyżej 25%, IES 1 - straty oscylują wokół 25% oraz IES 2 - gdzie straty są mniejsze niż 25%.

Nasz najnowszy silnik Lenze smart motor spełnia już wymogi klasy IES 2. Z naszego punktu widzenia idealnie by było, gdyby nowa norma objęła również przekładnię jako element systemu napędowego, dla którego liczono by straty. W Lenze od lat stawiamy na wysokosprawne oraz żywotne przekładnie stożkowe, walcowe i planetarne, których straty nie przekraczają 5%. Przykładem na to jest nowa seria motoreduktorów g500, w której wyeliminowano kołnierz łączący przekładnie z silnikiem, zwiększając tym samym chłodzenie korpusu przekładni. Z optymizmem patrzymy na nadchodzące zmiany, gdyż jesteśmy do nich przygotowani!

SPRAWNOŚĆ SILNIKÓW PM I LSPM SIĘGA KLASY IE4

Przyszłe tematy numerów APA

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.

Monika Jaworowska