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.

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.

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.

• Dziękuję za rozmowę.

Zbigniew Piątek