Elektryczne silniki energooszczędne

3_versamotion_motors_mSilnik elektryczny jest maszyną elektryczną, która energię elektryczną zamienia na energię mechaniczną. W nowoczesnych silnikach coraz większego znaczenia nabiera kwestia zmniejszenia poboru prądu.

 

Biorąc pod uwagę sposób zasilania w fabrykach zastosowanie znajdują silniki zasilane napięciem stałym, przemiennym oraz modele bazujące na zasilaniu dwustronnym. W przypadku zasilania napięciem stałym stosuje się silniki elektryczne obcowzbudne oraz silniki prądu stałego z magnesami trwałymi. Nie mniej ważne są również silniki elektryczne bocznikowe i szeregowe. Silniki zasilane napięciem przemiennym mogą być jednofazowe (klatkowe, szeregowe) oraz zasilane dwustronnie (synchroniczne i asynchroniczno-synchronizowane).

W nowoczesnych silnikach stosuje się specjalne rozwiązania konstrukcyjne celem zmniejszenia do minimum zapotrzebowania na energię elektryczną. Jej ograniczenie jest efektem wdrażania rozwiązań pozwalających na zminimalizowanie tarcia będącego stratami mechanicznymi oraz stratami, które powstają w uzwojeniu. Nie mniej ważne jest ograniczenie strat powstających w rdzeniu. W typowym silniku nie brakuje strat o charakterze dodatkowym.

Warto podkreślić, że podział klas sprawności silników elektrycznych jest regulowany odpowiednimi dyrektywami. I tak też w lipcu 2009 r. Komisja Europejska przyjęła Rozporządzenie Nr 640/2009 w sprawie wdrażania Dyrektywy 2005/32/WE Parlamentu Europejskiego i Rady dotyczącej wymogów ekoprojektu dla silników elektrycznych. W efekcie na terenie Unii Europejskiej wprowadzono prawne wymogi, które dotyczą efektywności energetycznej 3-fazowych silników asynchronicznych 2, 4 i 6-biegunowych. Klasyfikację oraz oznakowanie IE wprowadzono za pomocą normy IEC 60034-30 „Rotating electrical machines – Part 30: Efficiency classes of single-speed, three-phase, cage-induction motors (IE-code)” z 2008 r. Taki sposób klasyfikacji przewidziano dla silników 2, 4 i 6-biegunowych o mocach od 0,75 do 375 kW i napięciu znamionowym do 1000 V.

Jako IE3 określane są silniki cechujące się najwyższym poziomem sprawności (premium) a maszyny o podwyższonej sprawności, czyli high efficiency to IE2. Silniki standardowe (standard) określane są symbolem IE1.

Betais_001_mZalety

Silniki uznawane za energooszczędne cechuje przynajmniej kilka zalet. Przede wszystkim ograniczane są straty w miedzi i rdzeniu, co pozwala na zmniejszenie średnicy wentylatora oraz obniżenie strat mocy na przewietrzanie silnika. Niejednokrotnie zastosowanie znajduje blacha elektrotechniczna o mniejszej stratności i mniejszej grubości. Tym sposobem zapewnia się wydłużenie obudowy silnika przy nie zmienionych wymiarach montażowych. Na uwagę zasługuje powiększenie ilości miedzi w stojanie i aluminium w wirniku w celu zmniejszenia strat czynnych w uzwojeniach. Nie mniej ważne jest powiększenie przekroju żłobków w stojanach celem umieszczenia większej ilości miedzi. Na energooszczędność wpływa również poprawa kształtu zębów dla obniżenia strat dodatkowych.

produkty_OEM_mKiedy i gdzie silniki energooszczędne

Napędy elektryczne są elementami większych aplikacji i nie zawsze zastosowanie takiego silnika przyniesie założone korzyści w postaci zmniejszonego zapotrzebowania na energię elektryczną.

O silnik energooszczędny warto się pokusić przy okazji montażu nowej instalacji elektrycznej oraz podczas modernizacji linii technologicznej. Kluczową rolę odgrywają nowoczesne silniki w przypadku maszyn gdzie zastępowane się niedociążone i przewymiarowane silniki.

servo-red-grouping_mRozwiązania konstrukcyjne

W energooszczędnych silnikach stawia się na elektroniczne układy komutujące, które odpowiadają za przełączanie prądu płynącego w cewkach stojana. Układy komutacyjne zapewniają we wnętrzu wirnika wirujące pole magnetyczne oddziałujące na pole magnesów. Nie mniej ważne jest przy tym kontrolowanie za pomocą czujnika kąta obrotu wału. Powstały w ten sposób sygnał jest przesyłany do układu sterującego. Zwraca się uwagę, że rozwiązanie takie jest zbliżone do zasady pracy falownika poprzez regulowanie prądu cewek stojana. Jako zalety silników tego typu wymienia się przede wszystkim brak konieczności stosowania przewodów ekranowanych, trwałość i niezawodność, będącą efektem zintegrowania układu regulatora i silnika oraz możliwość pracy przy niskich obrotach. Nie mniej ważne jest zabezpieczenie termiczne silnika.

W nowoczesnych silnikach dąży się do wyeliminowania szczotek. Chodzi przede wszystkim o silniki synchroniczne bazujące na wirniku w formie magnesu trwałego. Zazwyczaj umieszcza się go w wirującej obudowie, która obejmuje zespół cewek.

Warto zwrócić uwagę na rozwiązania konstrukcyjne stosowane w wirnikach. Szacuje się, że straty powstające w wirniku są proporcjonalne do kwadratu poślizgu będącego różnicą między prędkością wirowania pola magnetycznego a prędkością wirnika dla danego obciążenia. Tym sposobem chcąc obniżyć straty w wirniku zmniejszany jest poślizg przy określonym obciążeniu poprzez zwiększenie masy przewodów wirnika (prętów i pierścieni zwierających) i/lub zwiększenie ich przewodności. Dodatkową poprawę sprawności zyskuje się zwiększając całkowity strumień magnetyczny w szczelinie powietrznej pomiędzy stojanem a wirnikiem. Miedziane elementy o wysokim poziom przewodności elektrycznej zastępują aluminiowe podzespoły przewodzące wirnika z uwzględnieniem odlewania ciśnieniowego z miedzi. Silniki indukcyjne projektuje się jako maszyny pierścieniowe z uzwojeniem nawiniętym na wirnik zastępując klatkę. W silnikach pierścieniowych istotną rolę odgrywają cewki nawinięte drutem izolowanym będące uzwojeniem.

versamotion_002_mStojany w silnikach energooszczędnych

Celem zwiększenia sprawności stojanów uwzględnia się materiały o podwyższonej przewodności elektrycznej. Stąd też bardzo często zastosowanie znajduje miedź, co zapewnia wyższą temperaturę topnienia poprzez wyższy poziom odporności miedzi na cykle ciepłe w całym okresie eksploatacji napędu. Nie bez znaczenia jest większa wytrzymałość na rozciąganie oraz wytrzymywania przez miedź znacznych sił odśrodkowych a także powtarzalnych obciążeń udarowych siłami, które są efektem dynamicznego działania prądu rozruchowego. Miedź ma również niższy, porównując do aluminium, współczynnik rozszerzalności cieplnej.

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

 

Przegląd oferty rynkowej

Z oferty firmy Nord wybrać można między innymi silniki, w których jako materiał wykonania klatki uwzględniono miedź a nie aluminium. To właśnie tym sposobem zdecydowanie obniżono straty powstające na wirniku. Oprócz tego ograniczono moment rozruchowy, który jest proporcjonalny do strat wirnika a moment krytyczny osiągnięto przy niższym poziomie poślizgu. Warto podkreślić przy tym bardziej stromą krzywą momentu obrotowego w przedziale pracy.

Firma EMIT oferuje z kolei silniki elektryczne SIE315÷355 (do 375 kW zgodne z normą IEC60034-30 i Dyrektywą UE 640/2009) oraz Sh355÷500..s (do 1500 kW) zgodnie z normami IEC/EN. Silniki serii „SIE” i „Sh..s” mają zastosowanie ogólnoprzemysłowe. Są one używane do napędu różnych maszyn i urządzeń, których praca ma charakter ciągły bez częstych rozruchów i nawrotów. Ze względu na stopień ochrony mogą pracować w warunkach, gdzie otaczające powietrze zawiera zanieczyszczenia. Zapylenie otoczenia nie powinno być większe od 10 mg/m3. Nie mogą to być jednak zanieczyszczenia agresywne, takie jak opary kwasów i ługów. Atmosfera nie może również zawierać mieszanek wybuchowych. Przy pracy na wolnym powietrzu zaleca się stosowanie zadaszeń zabezpieczających przed bezpośrednim działaniem opadów deszczu lub śniegu oraz promieni słonecznych.

Np. energooszczędny silnik GEM WX-550 przeznaczony jest do zastosowań szwalniczych. W urządzeniu przewidziano płynną regulację obrotów oraz możliwość ich zmiany (lewo, prawo). Producent podkreśla, że używając urządzenie tego typu można zyskać oszczędności energii wynoszące do 70% co wynika z pracy silnika wyłącznie podczas szycia. Na uwagę zasługuje również komfort szycia dzięki niskiej szumu oraz wibracji. Jest możliwe podłączenie pozycjonera zewnętrznego a brak sprzęgła zapewnia płynne ruszanie. Silniki GEM WX-550 są istotnym elementem maszyn szwalniczych takich jak stębnówki jednoigłowe, overlocki, dwuigłówki.

We wszystkich silnikach AC-Motoren przewidziano wysokiej jakości łożyska firm FAG, SKF, NSK, NTN lub INA. Łożyska kulkowe mają konstrukcję obustronnie zamkniętą. Producent udziela gwarancji na 40 tys. roboczogodzin przy napędzie poprzez sprzęgła, bez działania sił na oś silnika przy pracy poziomej oraz 20 tys. roboczogodzin w przypadku działania na oś maksymalnych dopuszczalnych sił.

Silniki Moll-Motor to maszyny elektryczne klasy energetycznej premium S1 o stopniu ochrony IP 55 i klasie izolacji F. Temperatura pracy wynosi od -20 do 40ºC. Silniki są wykonane zgodnie z normą PN-EN 60034-1. Zakres mocy wynosi od 0,75–355 kW przy wielkości mechanicznej 80–355. Prędkość wynosi 3000, 1500, 1000 obr./min.

Firma ABB udostępnia program Optimizer będący narzędziem internetowym upraszczającym dobór silnika. Narzędzie pozwala na łatwe wyselekcjonowanie optymalnego silnika dla określonych standardów sprawności energetycznej (ang. MEPS – Minimum Energy Performance Standards) w odniesieniu do wybranego kraju. Optimizer dostarcza również łatwego dostępu do dokumentacji technicznej silników.

 

Falowniki

Bez wątpienia wyższy poziom oszczędności energii elektrycznej zyskuje się stosując falowniki. Podstawowym zadaniem falowników jest regulowanie prędkości obrotowej silników elektrycznych. Jednak ich ciągłe rozbudowywanie spowodowało, że stały się ważnym elementem przemysłowych systemów automatyki. Dzięki wyposażeniu w protokoły komunikacyjne możliwa jest współpraca z innymi podzespołami sterującymi.

Dostępne na rynku falowniki dostępne są w wersjach z zasilaniem jedno- oraz trójfazowym, a ich parametry są ściśle dobierane do właściwości silnika takich jak moc czy też maksymalne obroty.

Przydatną funkcjonalność falowników stanowi automatyczna optymalizacja zużycia energii (AEO), która pozwala na optymalne magnesowanie silnika napędu przy każdej prędkości i w każdych warunkach obciążeniowych. Dla zapewnienia optymalnego i ekonomicznego użytkowania wentylatora lub pompy, charakterystyka napięcia do częstotliwości dla silnika powinna być ustalona z uwzględnieniem obciążenia jakie wystąpi przy różnych prędkościach obrotowych. Falowniki VLT HVAC parametr ten nastawiony mają fabrycznie, dlatego też nie jest konieczne dobieranie współczynnika U/f indywidualnie.

Ciekawym rozwiązaniem mającym na celu zmniejszenie zużycia energii jest funkcja kompensacji przepływu. Wykorzystuje ona sygnał z czujnika ciśnienia zainstalowanego bezpośrednio za pompą do skompensowania wartości sprzężenia zwrotnego dla regulatora tak aby ciśnienie w układzie było poprawne we wszystkich obszarach sieci.

Falowniki VLT HVAC Drive mogą być używane w układach sterowania systemów BMS (Building Management System). W przemienniku przewidziano timer i zegar czasu rzeczywistego dzięki czemu istnieje możliwość zaprogramowania reakcji napędu na konkretne zdarzenia. Istotną rolę odgrywają rozbudowane funkcje pozwalające na uzyskanie informacji takich jak całkowite zużycie energii w przedziałach godzinowych, kolejnych dniach czy tygodniach.RX3i_motion_m

Falowniki serii 584SV firmy Eurotherm Drives wyposażone są w funkcję Autotune, pozwalającą na samostrojenie parametrów PID w stosunku do regulowanego urządzenia. W systemie tym wyjście przemiennika odczytuje parametry Proportional, Integral i Derivative (PID), których zmiany determinują pracę falownika. Procedurę samostrojenia wykonuje się jednorazowo, jednak można ją również przeprowadzić w każdym innym momencie, chociażby po zmianie warunków pracy.

 

Podsumowanie

Należy pamiętać, że nabycie elektrycznego silnika energooszczędnego wymaga odpowiedniego czasu zwrotu nakładów poniesionych na inwestycję. Na właściwość w tym zakresie wpływa przede wszystkim różnica w cenie silnika energooszczędnego w porównaniu do rozwiązania standardowego. Nie mniej ważne jest również uwzględnienie stopnia obciążania silnika o jego czas prac przeliczany na skalę całoroczną.

 

Autor: Damian Żabicki

Wszystkie zdjęcia: Astor

 

Artykuł pochodzi z czasopisma Główny Mechanik 2/2015

Okladka GM2 i Dodatek 600x417

Authors

Related posts

Góra
English