Rozmowa z Magdaleną Muszyńską z Emerson Industrial Automation

Spis treści

ROZPORZĄDZENIE WDRAŻAJĄCE DYREKTYWĘ W SPRAWIE EKOPROJEKTU

W rozporządzeniu nr 4/2014 zmieniono wartości: wysokości bezwzględnej, maksymalnych oraz minimalnych temperatur otoczenia i temperatur wody chłodzącej, po przekroczeniu których uznaje się, że silnik pracuje w warunkach ekstremalnych i musi w rezultacie mieć specjalną konstrukcję. Obecnie zatem jego zapisy nie stosują się do silników:

przeznaczonych do eksploatacji przy pełnym zanurzeniu w cieczy (bez zmian),
stanowiących integralną część produktu (przekładni zębatej, pompy, wentylatora, sprężarki, itp.), których charakterystyka energetyczna nie może być sprawdzona niezależnie od niego (bez zmian),
silników hamujących (bez zmian),
silników przeznaczonych do eksploatacji wyłącznie:
- na wysokościach powyżej 4000 m n.p.m. (wcześniej: 1000 m n.p.m.),
- w temperaturze otoczenia przekraczającej +60°C (wcześniej: +40°C),
- w maksymalnej temperaturze roboczej powyżej +400°C (bez zmian),
- w temperaturze otoczenia poniżej -30°C w odniesieniu do wszystkich silników albo poniżej 0°C w przypadku silników chłodzonych wodą (wcześniej: w temperaturze otoczenia poniżej -15°C dla wszystkich silników albo poniżej 0°C dla silników chłodzonych powietrzem),
- w przypadku, gdy temperatura wody chłodzącej na wejściu do produktu wynosi mniej niż 0°C lub więcej niż +32°C (wcześniej odpowiednio: +5°C i +25°C),
- w przestrzeniach zagrożonych wybuchem zgodnie z definicją z dyrektywy 94/9/WE.

GDZIE UMIEŚCIĆ INFORMACJE O SPRAWNOŚCI SILNIKA?

Od 2011 roku informacja o sprawności silnika powinna być dostępna z kilku źródeł. Są to:

techniczna dokumentacja silnika,
techniczna dokumentacja urządzenia, którego częścią jest dany silnik,
ogólnodostępne strony internetowe producenta silnika,
ogólnodostępne strony internetowe producenta urządzenia, którego częścią jest dany silnik.

Informacje te muszą być widoczne, łatwo rozpoznawalne i przedstawione w taki sposób, aby były zrozumiałe dla użytkowników końcowych i organów nadzorujących zgodność z przepisami. W dokumentacji technicznej należy zachować ich określoną kolejność, którą przedstawiamy w ramce. Sposób ich wyrażenia jest natomiast dowolny. Można je przedstawić w postaci napisu, graficznie albo za pomocą symboli.

Jeżeli coś jest niejasne, zajrzyj do FAQ

Na stronie internetowej Komisji Europejskiej poświęconej tematowi oszczędności energii (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.
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.
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:

η_total = η₁×η₂×η₃×...×η_i

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:

η_ślimakowa = 0,60×0,90×0,98 = 0,52

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

η_stożkowa = 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.

Rozmowa z Magdaleną Muszyńską z Emerson Industrial Automation

Żeby oszczędzać energię, nie wystarczy wysokosprawny silnik - należy właściwie zaprojektować cały układ napędowy

W tym roku w styczniu weszły w życie kolejne przepisy związane z wymaganą sprawnością silników elektrycznych. Jaka jest w branży świadomość tych zmian i generalnie korzyści co do stosowania energooszczędnych silników i układów napędowych?

Świadomość zmian rośnie, gdyż dyrektywa ErP obowiązuje od 2011 roku, aktualnie jest rozszerzana do silników mniejszej mocy. Należy zaznaczyć, że dyrektywa nakłada obowiązek na producentów silników, nie użytkowników. Ci ostatni, jakkolwiek nie są obligowani przepisami prawa, są i będą obligowani przez rzeczywistość rynkową i brak dostępności na rynku silników o niższych klasach sprawności.

Wśród użytkowników rośnie przede wszystkim świadomość korzyści z użytkowania silników wysoko sprawnych. Korzyści te mają wymiar przede wszystkim finansowy w postaci niższych opłat za energię elektryczną, ale również ekologiczny - coraz więcej przedsiębiorstw ma w swoich celach wskaźnik emisji CO₂.

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

To zależy, o jakiej perspektywie czasowej mówimy. Jeśli weźmiemy pod uwagę przeciętny całkowity koszt użytkowania silnika elektrycznego przez 10 lat, to koszt zakupu wyniesie zaledwie 2% całkowitych kosztów, 3% to koszty serwisowe, zaś koszt energii elektrycznej to ponad 90% całkowitych kosztów użytkowania! Perspektywa 10 lat jest perspektywą użytkownika. Podobnie argument dotyczący kosztów użytkowania będzie trafiał głównie do użytkowników.

W 2011 roku na rynku pojawiły się silniki standardowe do pracy w wyższych temperaturach otoczenia, co służyło obejściu przepisów w zakresie energooszczędności. Czy w przypadku obecnej zmiany można spodziewać się podobnych procesów?

Nowe uregulowania wyeliminowały tę lukę i silniki o podwyższonej temperaturze są objęte regulacją, chyba że zostały zaprojektowane w sposób specjalny do pracy w temperaturach powyżej 60°C. Oczywiście każde przepisy można obejść. Uważam jednak, że logika rynkowa oraz korzyści płynące z oszczędzania energii to główne czynniki, które wyeliminują obecność "starszych" silników.

Sprostanie wymogom nowych norm zmusiło producentów do dużych inwestycji w obszarze R&D oraz środków produkcji. Na dłuższą metę nikt nie będzie utrzymywał podwójnej produkcji "starych" i nowych silników, bo jest to zbyt kosztowne. Zatem "stare" silniki po prostu przestaną być dostępne na rynku.

Czego można spodziewać się w kolejnych 2-3 latach? Czy będzie to dalsze zwiększanie energooszczędności, czy może rozszerzanie obowiązujących przepisów na nowe grupy urządzeń?

Nie można w nieskończoność zwiększać klas sprawności silników indukcyjnych. Silniki dużej mocy, a więc te najbardziej energochłonne, osiągają dziś bardzo wysoką sprawność 96%. Sprawność silnika czy zespołu napędowego niekoniecznie jest kluczowym elementem wydajności urządzenia. Straty powstają często w części mechanicznej i tam może być potencjał do oszczędności. Prawdopodobnie zmiany przepisów będą iść w kierunku sprawności całych urządzeń.

Jakie są zatem możliwości zwiększania sprawności całych systemów napędowych? Czy użytkownicy powinni skupić się nie tyle na silnikach, co układach całościowo - czyli też przemiennikach częstotliwości oraz części mechanicznej?

Sprawność samego silnika to tylko jeden z elementów, wcale nie jest on najważniejszy dla optymalizacji efektywności całego układu napędowego. W zależności od aplikacji istnieją różne inne możliwości optymalizacji. W aplikacjach o zmiennym obciążeniu na pewno źródłem oszczędności będzie przemiennik częstotliwości w połączeniu z silnikiem synchronicznym.

Silniki synchroniczne z magnesami stałymi mają znacznie wyższą sprawność w całym zakresie regulacji prędkości w stosunku do silników indukcyjnych i, w zależności od profilu obciążenia, możemy uzyskać na nich około 6% oszczędności w stosunku do silnika indukcyjnego.

Kluczowe dla efektywności jest właściwe zaprojektowanie pracy całego układu z odpowiednią regulacją wydajności, często przy zastosowaniu nadrzędnych systemów sterowania.