W styczniu weszły w życie kolejne regulacje określające minimalną sprawność energetyczną silników elektrycznych o mocach od 0,75 do 375 kW. Przedstawiamy kompendium informacji na ten temat oraz rozwiązania konstrukcyjne stosowane przez producentów silników. Na przykładach wyjaśniamy również wątpliwości, które mogą pojawić się przy interpretacji nowych przepisów, a także zapowiadamy plany Komisji Europejskiej w zakresie przyszłych zmian w prawodawstwie.
Rys. 1. Klasy IE mają swoje odpowiedniki w klasyfikacjach według CEMEP i NEMA
Początki zmian przepisów związanych z energooszczędnymi silnikami elektrycznymi sięgają końca zeszłego wieku, kiedy opracowano ich klasyfikację na podstawie sprawności energetycznej. W 1999 roku wspólnie dokonały tego CEMEP (European Committee of Manufacturers and Power Electronics) i Komisja Europejska.
Dla silników indukcyjnych, trójfazowych, o budowie zamkniętej, zasilanych napięciem 400 V/50 Hz, z 2 lub 4 biegunami, o mocy od 1,1 kW do 90 kW, określono trzy klasy sprawności. Silniki o najniższej sprawności zaliczono do klasy EFF3, a najbardziej energooszczędne do EFF1. Klasę EFF2 przypisano urządzeniom o średnim poziomie sprawności.
Podobne klasyfikacje ogłosiły także inne organizacje - na przykład NEMA (National Electrical Manufacturers Association) w USA. Przez to trudno było porównywać sprawności silników od różnych producentów. Dlatego IEC (International Electrotechnical Commission) zaproponowało swój podział, który zastąpił pozostałe. Tak powstała norma IEC 60034-30:2008.
Dla silników klatkowych indukcyjnych trójfazowych jednobiegowych o znamionowym napięciu do 1 kV i częstotliwości 50/60 Hz, z 2, 4 albo 6 biegunami, o mocy od 0,75 do 375 kW zdefiniowano trzy klasy sprawności. Silniki o sprawności najniższej zaliczono do IE1 (Standard efficiency), wyższej do IE2 (High efficiency), a najwyższej do IE3 (Premium efficiency). IEC przyjęło zatem kolejność odwrotną niż CEMEP.
W IEC 60034-30 wyróżniono też, chociaż bez dookreślania, klasę IE4 (Super Premium Efficiency). Silnikom o sprawności poniżej IE1 nie przydzielono klasy, przyjęto tylko, że ich odpowiednikiem jest grupa EFF3 według CEMEP. IE1 odpowiadało EFF2, a IE2 EFF1. Na rysunku 1 przedstawiono odpowiedniki według NEMA. Sprawność silnika, na podstawie której określano klasę IE, była wyznaczana według procedury opisanej w IEC 60034-2-1:2007.
W 2014 roku IEC 60034-30:2008 została zastąpiona przez IEC 60034-30-1. W Polsce dokument ten przyjęto jako PN- EN 60034-30-1 pt. Maszyny elektryczne wirujące. Część 30-1. Klasy sprawności silników prądu przemiennego bezpośrednio zasilanych z sieci (kod IE). Określono w nim cztery klasy sprawności dla silników jednobiegowych znamionowanych według IEC 60034-1 (PN-EN 60034-1 Maszyny elektryczne wirujące. Część 1. Dane znamionowe i parametry) albo IEC 60079-0 (PN-EN 60079-0 Atmosfery wybuchowe. Część 0. Urządzenia. Podstawowe wymagania), o mocy 0,12 kW - 1 MW, napięciu znamionowym 50 V - 1 kV, o 2, 4, 6 albo 8 biegunach, do pracy ciągłej: przy obciążeniu znamionowym i wzroście temperatury poniżej dopuszczalnej ze względu na klasę izolacji, w temperaturze otoczenia -20°C... + 60°C, na wysokości do 4 km n.p.m.
IEC 60034-30-1 nie dotyczy silników: jednobiegowych o 10 albo większej liczbie biegunów, wielobiegowych, z komutatorami mechanicznymi, zintegrowanych z napędzaną maszyną i z przemiennikiem częstotliwości, jeśli silnika nie można zbadać niezależnie od niego, samohamownych, których integralną częścią jest hamulec, zaprojektowanych do pracy przy pełnym zanurzeniu w cieczy i usuwania dymu o klasie temperaturowej powyżej +400°C.
Dla poszczególnych klas od IE1 do IE4 w IEC 60034-30-1 podano zestawy wartości minimalnych sprawności w zależności od częstotliwości napięcia zasilania, liczby biegunów oraz mocy silnika. Sprawność urządzenia, na podstawie której określa się klasę IE, wyznacza się według procedury opisanej w normie IEC 60034-2-1 (PN-EN 60034-2-1 Maszyny elektryczne wirujące. Część 2-1. Znormalizowane metody wyznaczania strat i sprawności na podstawie badań z wyjątkiem maszyn pojazdów trakcyjnych). W 2014 też została ona zaktualizowana. W ramce podsumowujemy zmiany wprowadzone w IEC 60034-30-1 i IEC 60034-2-1 w porównaniu do wersji z lat 2007-2008.
Sprawność energetyczna silnika elektrycznego jest definiowana jako iloraz jego mocy wyjściowej (mechanicznej) do mocy wejściowej (elektrycznej). Można ją policzyć metodą bezpośrednią lub pośrednią. Pierwsza z metod polega na wyznaczeniu wartości obu wielkości na podstawie, odpowiednio, prędkości i momentu obrotowego silnika oraz prądu i napięcia zasilania. W metodzie pośredniej moc wejściową albo wyjściową określa się identycznie, natomiast brakujący składnik równania oblicza się, uwzględniając straty w silniku.
W IEC 60034-2-1 opisano dziesięć metod pomiarowych - bezpośrednich (m.in. maszyny wzorcowej oraz przeciwsobnej mechanicznej) i pośrednich (strat całkowitych i strat poszczególnych). Każdej z nich przypisano niedokładność: niską, średnią albo wysoką.
Pierwsza charakteryzuje sposoby, w których wszystkie składniki sumarycznych strat w silniku są określane na podstawie badań, średnia dotyczy natomiast tych, w których w tym celu przyjmuje się ograniczoną liczbę założeń. Z kolei niepewność wysoką mają metody, w których wszystkie straty są wyznaczane tylko w przybliżeniu.
Parametr ten decyduje o możliwości wykorzystania konkretnego sposobu do badania silnika danej klasy. Dla urządzeń w grupie IE1 dopuszczalne są te z niepewnością niską oraz średnią. Sprawność pozostałych trzeba natomiast wyznaczać wyłącznie metodami z niską niepewnością.
Informację o tym, jaką metodą została wyznaczona sprawność, należy umieścić w dokumentacji silnika. Wartości tej wielkości podawane przez różnych producentów można porównywać, o ile zostały wyznaczone w ten sam sposób.
Co się zmieniło w normach IEC 60034-30-1 oraz IEC 60034-2-1?W IEC 60034-30-1:2014, w porównaniu do wersji IEC 60034-30:2008, poszerzono zakres urządzeń, których dotyczą zapisy tej normy o silniki jednofazowe oraz 8-biegunowe. Większy jest również przedział ich mocy znamionowej. W najnowszej wersji określono ponadto wartości sprawności dla urządzeń w klasie IE4, która w dokumencie z 2008 roku została tylko zasygnalizowana. Z kolei w przypadku IEC 60034-2-1 najważniejsze zmiany to: podzielenie sposobów badania sprawności energetycznej na te do zastosowań profesjonalnych i do sprawdzania i okresowych testów oraz uszczegółowienie wymagań dotyczących przyrządów pomiarowych. |
W 2005 roku Parlament Europejski przyjął dyrektywę 2005/32/WE, która ustanawia ogólne zasady ustalania wymagań dotyczących ekoprojektu dla produktów wykorzystujących energię elektryczną lub paliwa kopalne (Energy using Products, EuP). Ekoprojekt oznacza zaprojektowanie urządzenia w taki sposób, aby zmniejszyć jego oddziaływanie na środowisko, przy zachowaniu jego funkcjonalności. Dzięki poprawie sprawności energetycznej, mimo przewidywanego wzrostu popytu na te produkty, w przyszłości uda się osiągnąć założoną, obniżoną wartość emisji gazów cieplarnianych.
W 2009 roku dyrektywę 2005/32/WE zmieniono, wprowadzając dyrektywę 2009/125/WE. Podano w niej ogólne zasady ustalania wymogów dotyczących ekoprojektu dla szerszej grupy produktów, definiowanych jako te związane z energią (Energy related Products, ErP).
Na podstawie ogólnych wytycznych przedstawionych w dyrektywach Parlamentu Europejskiego Komisja Europejska przygotowuje konkretne wymagania dla poszczególnych grup urządzeń. Są one określane dla produktów, których sprzedaż w Unii Europejskiej jest duża i mających znaczący wpływ na środowisko. Powinien je również charakteryzować spory potencjał w zakresie poprawy efektywności energetycznej osiąganej bez ponoszenia nadmiernych kosztów.
Jakie są plany Komisji Europejskiej?W 2014 roku na zlecenie Komisji Europejskiej przeprowadzono analizę możliwości zaostrzenia przepisów dotyczących sprawności energetycznej silników elektrycznych. Na podstawie jej wyników opracowano plan wprowadzania nowych regulacji, których efektem miałyby być oszczędności energii nawet powyżej 22 TWh rocznie. Zakładał on m.in., że od 1 stycznie 2018 roku małe silniki jednofazowe i trójfazowe, o mocy w przedziale 120 - 750 W, powinny mieć co najmniej klasę sprawności IE2. Przepis ten miał objąć wszystkie silniki, również te zintegrowane z innymi urządzeniami. Kolejną grupą, którą miały z początkiem 2018 roku objąć zaostrzone przepisy, są duże silniki o mocy w zakresie 375-1000 kW i napięciu znamionowym do 1000 V. Po upływie tego terminu powinny one mieć co najmniej klasę sprawności IE3. Dwa lata później ten obowiązek powinien objąć duże silniki o mocy w tym zakresie i napięciu znamionowym w przedziale 1 kV - 6,6 kV. Wówczas nie byłoby już też dopuszczalne używanie silników o klasie sprawności IE2 w połączeniu ze sterownikami bezstopniowymi. Z początkiem 2018 roku regulacje dotyczące sprawności silników energooszczędnych miały również objąć dotychczas wykluczone silniki przeznaczone do eksploatacji wyłącznie w przestrzeniach zagrożonych wybuchem zgodnie z definicją z dyrektywy 94/9/WE oraz silniki hamujące. Początkowo planowano podać szczegóły odnośnie do zmian najpóźniej latem 2016 roku. Tego terminu nie udało się jednak dotrzymać. W związku z tym przesunięciu, na razie na bliżej nieokreśloną przyszłość, ulegają także wyżej wymienione daty i jest mało prawdopodobne, aby jakiekolwiek nowe przepisy weszły w życie na początku 2018 roku. |
Przykładem są silniki elektryczne. Zanim zakresem dyrektywy, potocznie zwanej EuP, objęto te urządzenia, zlecono badanie, w którym analizie poddano ich ekonomiczne, środowiskowe oraz techniczne aspekty. Potwierdziło ono, że ich liczba na rynku Unii Europejskiej jest duża i mają znaczący wpływ na środowisko, głównie w fazie użytkowania.
Jak ustalono, roczne zużycie energii elektrycznej przez te urządzenia przekroczyło w 2005 roku tys. TWh, powodując emisję 427 Mt CO2. W 2020 roku, o ile nic się nie zmieni, wzrośnie ono do 1252 TWh. Stwierdzono również, że zwiększenie ich sprawności energetycznej jest możliwe przez zastosowanie już znanych rozwiązań technicznych.
Wymagania przygotowane przez KE publikowane są jako rozporządzenia wykonawcze. Dokument taki, wdrażający postanowienia dyrektywy 2005/32/WE dla silników elektrycznych, wprowadzono w życie w 2009 roku jako rozporządzenie o numerze 640/2009.
Przedstawiono w nim harmonogram, zgodnie z którym silniki o niższej sprawności według klasyfikacji analogicznej, jak ta przedstawiona w normie IEC 60034-30-1, mają zostać wycofane z rynku i z użytku na terenie Unii Europejskiej. Dzięki temu przewiduje się uzyskanie oszczędności energii elektrycznej rzędu 315 TWh w 2020 roku w porównaniu do jej prognozowanego zużycia w razie niepodjęcia żadnych działań.
Rys. 2. Sprawność wymagana w poszczególnych klasach (dotyczy silników 4-biegunowych)
Pierwszą datą graniczną był 16 czerwca 2011 roku. Od tego dnia silniki musiały mieć co najmniej klasę sprawności IE2. Od 1 stycznia 2015 roku silniki o mocy znamionowej w przedziale od 7,5 kW do 375 kW musiały z kolei mieć klasę sprawności co najmniej IE3 lub odpowiadać klasie IE2 i być wyposażone w sterownik bezstopniowy. Z początkiem 2017 roku wymóg ten objął też silniki o mocy w zakresie od 0,75 kW do 375 kW.
Ograniczenia te dotyczą konkretnej grupy urządzeń. Zakresem rozporządzenia nr 640/2009 objęto: elektryczne indukcyjne silniki klatkowe o stałej prędkości zasilane prądem trójfazowym, 50 Hz lub 50/60 Hz, które mają od 2 do 6 biegunów, napięcie znamionowe do 1 kV, moc znamionową od 0,75 kW do 375 kW i są określane na podstawie ciągłej eksploatacji roboczej.
Na początku 2014 roku wydano dokument numer 4/2014, zastępujący ten o numerze 640/2009. Zmodyfikowano w nim artykuł 1, który dotyczy jego przedmiotu i zakresu. Najważniejsza zmiana to nowa lista urządzeń, których rozporządzenie to nie dotyczy. Zdecydowano się na to po analizie skutków wdrożenia wytycznych dokumentu nr 640/2009 na rynek i działanie silników.
|
Dane z punktów 1-3 powinny być na trwałe umieszczone na albo w pobliżu tabliczki znamionowej. W przypadku silników klasy IE2 w dokumentacji technicznej i na tabliczce znamionowej należy poinformować o konieczności używania tych urządzeń w połączeniu ze sterownikiem bezstopniowym. Dane z punktów 1-12 w przypadku silników wykonywanych na zamówienie nie muszą być publikowane na stronie internetowej producenta. |
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:
Od 2011 roku informacja o sprawności silnika powinna być dostępna z kilku źródeł. Są to:
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 FAQNa stronie internetowej Komisji Europejskiej poświęconej tematowi oszczędności energii (http://ec.europa.eu/energy/en/topics/energy-efficiency/energy-efficient-products) udostępniono dokument pt. Frequently Asked Questions (FAQ) on the Ecodesign Directive and its Implementing Regulations. W tej na bieżąco aktualizowanej publikacji zebrane są najczęściej zadawane pytania na temat dyrektywy ekoprojektu dla różnych urządzeń i przepisów ją wdrażających oraz odpowiedzi, które odzwierciedlają stanowisko, jakie w danej kwestii zajmuje Komisja Europejska oraz organy nadzorujące wdrażanie dyrektywy w państwach członkowskich UE. Chociaż odpowiedzi nie są prawnie wiążące, mogą być pomocne w interpretacji tych przepisów. Poniżej przedstawiamy przykładowe z nich. Jak to jest ze środkami transportu? Z tego zaś wynika, że regulacje ją wdrażające nie dotyczą produktów przeznaczonych wyłącznie do użytku w środkach transportu ludzi i towarów. Dlatego, jeżeli dany model silnika może być używany tylko na statkach, nie podlega tym przepisom. Jeśli jednak można go używać również poza środkami transportu, musi je spełniać. KE nie robi wyjątków Od tej pory można w niej instalować standardowe silniki. Problem dotyczył silników na wymianę w starszych maszynach. Nie dało się bowiem zbudować silników w klasie IE2 o wymaganych rozmiarach. W związku z tym producent silników chciał się upewnić, czy może, na potrzeby tego klienta, nadal sprzedawać, w niewielkiej liczbie, te w klasie IE1 o odpowiednich rozmiarach. Niestety, z odpowiedzi zamieszczonej w FAQ jasno wynika, że po upływie terminu granicznego wprowadzanie do obrotu albo oddawanie do eksploatacji tych urządzeń jest zabronione. Czy datę produkcji można zaszyfrować? W FAQ wyjaśniono jednak, że taka informacja musi być dostępna nie tylko dla producenta silnika, ale też dla użytkowników oraz organów nadzorujących wdrażanie dyrektywy ekoprojektu. Dlatego w przypadku, gdy nie można podać daty produkcji w postaci wymaganej przez przepisy, na przykład z powodu braku miejsca, informację można przedstawić w postaci zakodowanej. Warunkiem jest jednak dołączenie w formie pisemnej wyjaśnienia tego kodu, w którym data produkcji będzie podana wprost. Jak wygląda sytuacja ze sterownikami? Jak wyjaśniono w FAQ, producent silnika nie musi dostarczać VSD. W tym przypadku bowiem zgodność z przepisami jest egzekwowana już po oddaniu silnika do eksploatacji. Producent silnika powinien za to zamieścić na jego tabliczce znamionowej oraz w dokumentacji informację o konieczności używania tego urządzenia w połączeniu ze sterownikiem bezstopniowym. Od 1 stycznia tego roku dotyczy to też silników o mocy znamionowej w przedziale od 0,75 kW do 375 kW. Kiedy z kolei silnik jest wymieniany, musi być wyposażony w VSD, jednak nie istnieją szczegółowe przepisy dotyczące tej kwestii. Co z silnikami wycofanymi z użytku? Jak testować silniki w wykonaniu specjalnym? W FAQ wyjaśniono, że w takich przypadkach trzeba się najpierw upewnić, czy w związku z wprowadzonymi modyfikacjami silnik w dalszym ciągu podlega przepisom. Na przykład może się okazać, że specjalne łożyska zastosowano, żeby umożliwić pracę w wysokich temperaturach, poza zakresem objętym przepisami. Jeśli tak nie jest, powinien być badany w tej formie, w jakiej jest wprowadzany na rynek, czyli modyfikacji nie należy cofać. |
Państwa członkowskie Unii Europejskiej są zobowiązane do sprawdzania, czy deklarowana przez producenta sprawność energetyczna danego modelu silnika jest zgodna ze stanem faktycznym. Weryfikacja ta powinna się odbywać zgodnie z opisywaną dalej procedurą.
Przetestować należy pojedyncze urządzenie. Jeżeli przy pełnym obciążeniu straty mocy w silniku nie różnią się o więcej niż 15% w przypadku silników o mocy w zakresie 0,75-150 kW i o więcej, niż 10% w przypadku silników o mocy w przedziale >150-375 kW, od wartości określonych w IEC 60034-30-1, zgodność zostaje potwierdzona.
Na przykład w przypadku silnika o mocy 1,5 kW z 4 biegunami, w klasie IE2, minimalna sprawność wynosi 82,8%. Tolerancję dla tego urządzenia można obliczyć w następujący sposób: 0,15×(1-0,828) = 0,0258, czyli 2,58%. W przypadku silnika o mocy 160 kW z 6 biegunami, w klasie IE3, minimalna sprawność wynosi 95,6%. Tolerancja dla tego urządzenia to zatem: 0,1×(1-0,956) = 0,0044, czyli 0,44%.
Jeśli badanie wykaże brak zgodności, należy je powtórzyć w analogiczny sposób dla trzech innych, przypadkowo wybranych silników. Jeżeli wówczas wynik też będzie negatywny, należy uznać, że deklarowana przez producenta sprawność energetyczna urządzenia nie jest prawdziwa.
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.
|
Silniki M3BP - klasa sprawności IE4, zakres mocy od 75 do 355 kW, zakres wzniosu wału od 280 do 355, żeliwny kadłub. |
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 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.
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.
|
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.
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.
Żeby oszczędzać energię, nie wystarczy wysokosprawny silnik - należy właściwie zaprojektować cały układ napędowy
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.
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.
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.
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.
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.
Zbigniew Piątek
Powiązane treści
Zobacz więcej w kategorii: Temat miesiąca
Zobacz więcej w temacie: Artykuły
Zobacz również
Świat Radio
14,90 zł Kup teraz
Elektronika Praktyczna
18,90 zł Kup teraz
Elektronika dla Wszystkich
16,90 zł Kup teraz
Automatyka, Podzespoły, Aplikacje
15,00 zł Kup teraz
IRA - Informator Rynkowy Automatyki
0,00 zł Kup teraz
Elektronik
15,00 zł Kup teraz
IRE - Informator Rynkowy Elektroniki
0,00 zł Kup teraz
Andrzej Czernecki
