Mówiąc o napędach elektrycznych średniego napięcia, mamy na myśli urządzenia napędowe zasilane prądem o napięciu wyższym od 600 V. Przy czym użyte tutaj określenie ?napięcie średnie? obejmuje zakres od 600 V do 24 kV. Takie silniki (napędy) są już budowane i używane na świecie.
Impedancja obciążenia dla silnika określonej mocy w zależności od napięcia zasilania. Zbyt niskie napięcie prowadzi do spadku sprawności ze względu na nadmierne straty wynikające z dużego prądu przy określonej oporności czynnej uzwojeń i przewodów.
Oczywiście liczbę 26 kV jako górną granicę napięć średnich należy traktować umownie. Sprawa klasyfikacji i nazewnictwa jest odmiennie traktowana nie tylko w różnych obszarach (USA czy Europa), lecz także w różnych dziedzinach. Obowiązująca w Stanach Zjednoczonych norma państwowa podaje jako średnie napięcie zakres 601 V do 6 000 V, a nie 24 kV. W standardach obowiązujących w Europie (także w Polsce) są inne zapisy dla systemów elektroenergetycznych, a inne dla kabli energetycznych. Zupełnie inaczej są też nazywane napięcia w naszych normach dotyczących bezpieczeństwa pracy.
Napędy elektryczne średniego napięcia są w zasadzie odmianą silnika prądu przemiennego, przeznaczoną do urządzeń wymagających dużej mocy. Mają one typową regulację mocy, to jest zmianę szerokości impulsu. W ten sposób przy określonej prędkości obrotowej dopasowują swój moment obrotowy ? a zatem również rozwijaną moc, która jest przecież iloczynem prędkości i momentu ? do potrzeb urządzenia obciążającego.
Wielu obserwatorów nie wdając się w analizy zagadnienia przypuszcza, że korzyści wynikające z wyboru napędu średniego zamiast niskiego napięcia, wynikają z tych samych reguł, jakie mają zastosowanie przy liniach przesyłowych o wysokim napięciu. Ogólnie wiadomo, że im wyższe jest napięcie, tym mniejsze natężenie prądu (przy tej samej przesyłanej mocy). A zatem mały prąd przy niezmieniającej się oporności linii oznacza mniejsze straty przesyłowe. Takie rozumowanie jest w odniesieniu do silnika całkowicie złudne. Wynika to z faktu, że odległość od elektrowni do miejsca zużywania energii jest duża i niezmienna. Natomiast uzwojenie silnika nie musi mieć stałej długości. Możemy je kształtować według naszej woli.
Zarówno w przypadku linii transmisyjnej, jak też silnika, potrzebna moc jest zależna od czynnika zewnętrznego. A jest nim zapotrzebowanie odbiornika. W przypadku silnika moment obrotowy jest proporcjonalny do iloczynu wartości prądu płynącego w przewodzie nawojowym oraz ilości zwojów w uzwojeniach. Aby zatem otrzymać ten sam moment (a więc i tę samą moc ? przy stałej prędkości obrotowej wynikającej z liczby par biegunów i częstotliwości sieci), konstruktor zmniejszając natężenie prądu powiększa odpowiednio ilość zwojów w uzwojeniach silnika. Zakładając stałą wartość gęstości prądu w przewodzie (czyli natężenia prądu przypadającego na jednostkę powierzchni przekroju poprzecznego przewodu), łatwo wykazać, że sprawność silnika nie zależy od napięcia zasilania. Podobnie zmniejszenie średnicy drutu nawojowego (przy stałej gęstości prądu) można zrekompensować jednoczesnym zwiększeniem ilości zwojów. Miejsce, jakie zajmuje uzwojenie, nie ulega przy tym żadnej zmianie.
Podstawowym problemem przy budowie średnionapięciowych silników, które mają większą sprawność i mniejsze rozmiary od silników niskonapięciowych, było zagadnienie regulacji impedancji obciążenia (sumy rezystancji R, reaktancji indukcyjności XL i reaktancji pojemności XC; impedancja obciążenia jest też potocznie zwana opornością całkowitą lub opornością zastępczą ? mierzoną w ?). Równanie określające zależność mocy od napięcia zasilania ma postać: P = V2/Z; przy czym: P ? dostarczana moc, V ? napięcie zasilania, zaś Z ? impedancja (oporność pozorna).
W przypadku pracy silnika impedancja rozprasza część energii zamieniając ją w ciepło. Można sobie przykładowo wyobrazić, że jest to ta mała część energii zasilania, która przerobiła większą część energii elektrycznej na mechaniczną. Tej straty nie da się uniknąć, jeśli chcemy dostarczyć energię w potrzebne miejsce.
Przekształcając przytoczone powyżej równanie tak, aby otrzymać wyrażenie określające impedancję jako funkcję napięcia przy wymaganej wartości mocy, otrzymamy postać: Z = V2/P. Graficzne przedstawienie tego równania w skali logarytmicznej ma kształt rodziny równoległych linii prostych. Wykres opracowano dla zakresu napięcia od 1 V do 100 kV, zaś impedancja ma zakres od 0,01 ? do 1 000 ?. Zakres napięć dobrano tak, aby obejmował zarówno silniki niskonapięciowe, jak też średnionapięciowe. Jest to ważne dla możliwości porównania tych dwóch grup silników stosowanych w przemyśle. Zakres wartości impedancji dostosowano do potrzeby objęcia nim silnika zasilanego napięciem 30 kV i rozwijającego moc 1 000 kW.
Ta dolna granica wartości impedancji jest przyczyną, dla której inżynierowie chętnie spoglądają ku silnikom niskonapięciowym. Wartość impedancji nie może być zerowa, więc całkowite wyeliminowanie strat nie jest niemożliwe. W praktyce osiągalne są wartości od 0,1 ? do 1 ?, chociaż to trudne zadanie. Zawsze jednak oznacza to istnienie znaczących strat energii w uzwojeniach silnika. Nie dziwi zatem nikogo fakt, że konstruktorzy silników o mocy większej od 10 kW kierują swoją uwagę w stronę zasilania silników średnim napięciem, czyli wyższym od 600 V.
Artykuł pod redakcją inż. Józefa Czarnula, specjalisty
automatyka z wieloletnim doświadczeniem w projektowaniu
i uruchamianiu układów automatyki