Rozwój sterowników i oprogramowania wspomagającego symulację pomaga silnikom z przełączaną reluktancją (ang. Switched Reluctance) ? jednemu z najstarszych typów silników ? pozostać wciąż na rynku. Systemy SR są wydajne, a ich budowa jest prosta i odporna oraz nie mają magnesów trwałych.
Dość przejrzyste dane o liczbie silników indukcyjnych oraz silników bezszczotkowych z magnesami trwałymi, pracujących w przemyśle i na rynku, świadczą o ich dobrze zorganizowanej infrastrukturze produkcyjnej i popularności wśród użytkowników. Ograniczyło to szerokie zastosowanie silników z przełączaną reluktancją ? technologii, która oferuje praktyczną alternatywę dla różnych aplikacji wymagających pracy w trudnych warunkach. Silniki SR były stosowane przez długi czas, jednakże złożoność sterowników potrzebnych do kontrolowania ich parametrów ma krótszą historię. Silniki SR przeżywały chwile zainteresowania oraz jego braku i być może teraz ponownie odzyskają swoją szansę.
Najprostszy z możliwych 1-fazowych silników SR (a) ilustruje zasadę przełączania reluktancji. W bardziej praktycznym silniku 3-fazowym (b), pobudzanie pary fazy stojana B (dla pokazanej pozycji) wytwarza moment zgodny z ruchem wskazówek zegara; pobudzanie pary fazy stojana C wytwarza moment przeciwny do ruchu wskazówek zegara. Różne projekty zawierają więcej faz silnika, biegunów stojana i biegunów wirnika
Technologia z przełączaną reluktancją oferuje imponujący zestaw zalet w stosunku do swojej konkurencji. Wśród nich są: wysoka wydajność w szerokim zakresie prędkości (i przy częściowym obciążeniu), wysoka prędkość obrotowa (>100 tys. obrotów na minutę, z odpowiednim napędem), łatwe chłodzenie źródła ciepła tylko w stojanie, odporność na wysokie temperatury i drgania oraz relatywnie prostą konstrukcję mechaniczną.
A może technologia z przełączaną reluktancją?
Według Emerson Motor wzrastający popyt na wydajność energetyczną zmusza producentów i użytkowników do zastanowienia się nad alternatywą dla silników indukcyjnych. ? Klienci coraz bardziej są zainteresowani technologią SR, w celu zapewnienia konkurencyjnej i wysoko wydajnej alternatywy ? mówi Rob Boteler, dyrektor marketingu w firmie Emerson Motor.
Silniki SR nie mogą startować bezpośrednio po włączeniu do sieci, ale wymagają przetwornika mocy (napędu) jako uzupełnienia systemu SR. ? Ponieważ coraz więcej aplikacji wymaga regulacji prędkości, zastosowanie technologii SR, której koszt jest konkurencyjny w stosunku do silników indukcyjnych sterowanych falownikami, staje się realne w szerokim zakresie zastosowań ? mówi Rob Boteler.
? W porównaniu do tradycyjnych rozwiązań regulacji prędkości, systemy SR zapewniają wysoką wydajność w całym zakresie obciążenia ? kontynuuje Boteler. ? Znaczące oszczędności energii są widoczne w aplikacjach, w których duża część pracyodbywa się przy obciążeniu częściowym albo powyżej lub poniżej prędkości znamionowej.
Przeznaczone do zastosowań w trakcji elektrycznej ? 4-fazowy silnik SR o mocy 2,5 kW firmy Rocky Mountain Technologies i kontroler trakcji (dla 3- i 4-fazowych silników) tworzą jeden system. Firma wyprodukowała i przetestowała maszyny typu SR o mocy do 300 kW i prędkościach obrotowych do 120 tys. obr./min
? Firma Emerson Electric długo badała znaczenie systemów z przełączaną reluktancją i poprzez swój oddział napędów SR opracowała i stosowała tę technologię przez ponad 20 lat ? wyjaśnia Boteler. ? Emerson odnotowuje obecnie ponowne zainteresowanie zakupem technologii SR dla różnych zastosowań przeznaczonych dla przemysłu i nastawionych na dwa zakresy prędkości: aplikacje o bardzo dużych prędkościach (ponad 3600 obr./min), takie jak sprężarki śrubowe, dmuchawy oraz pompy wysokoobrotowe i aplikacje wymagające małych prędkości i dużych momentów obrotowych, takich jak: prasy, przenośniki i podajniki, gdzie technologia SR była stosowana tradycyjnie.
Rocky Mountain Technologies (RMT), projektant i producent silników oraz napędów SR, od 1994 r. odnotowuje znaczne wydatki na rozwój i badania w kierunku przemysłu oraz wysokie dotacje na rozwój produktów SR mających specyficzne zastosowania. ? W przeciwieństwie do poprzednich badań, które skupiały się głównie na małych jednostkach (od ułamkowych do pojedynczych kW), obecnie widzimy zainteresowanie w zakresie od 100 kW do 1 MW ? mówi George Holling, dyrektor techniczny w firmie RMT. ? Ta duża zmiana odnosząca się do większych maszyn SR jest faktem. RMT projektuje obecnie maszyny w technologii SR znamionowane na ponad 1 MW. Motywacja użytkowników, aby poszukiwać rozwiązań typu SR jako alternatywy, bierze się z troski o koszt materiałów magnetycznych w silnikach synchronicznych z magnesem trwałym oraz chęcią odstawienia silników indukcyjnych ze względu na ich ogólną wydajność i koszt systemu ? zauważa Holling.
Jednakże systemy SR muszą znaleźć zastosowanie w specyficznych obszarach, aby z sukcesem konkurować z ogromną istniejącą bazą technologii silników indukcyjnych i silników bezszczotkowych z magnesem trwałym. ? Istniejąca infrastruktura jest zbyt duża, aby z nią walczyć; zwrot kosztów z inwestycji na całym rynku jest po prostu ogromnym wyzwaniem ? mówi Holling. Wymienia jedno nowe zastosowanie w mniejszych turbinach wiatrowych, gdzie minimalny opór i praca bez zacięć generatora SR o mocy 7,5 kW (z odpowiednią kontrolą wartości prądu) staje się opłacalna, umożliwiając tym samym działanie przy słabych wiatrach. Według raportów wydajność generatorów SR osiąga 95,5% lub więcej przy niższych prędkościach.
Do pracy w trudnych warunkach
Szwedzka firma Emotron, dostarczająca od wielu lat na rynek technologie SR, odnotowuje mały wzrost zapotrzebowania z obszaru przemysłu. Emotron widzi rolę technologii SR w produktach przeznaczonych do zastosowań wymagających większych ilości i solidności wykonania. ? Uważamy, że silniki i napędy SR są trudne do zastąpienia w bardziej unikatowych aplikacjach ? mówi Piotr Zellman, wiceprezes ds. marketingu w firmie Emotron. Maszyny górnicze są jednym z głównych obszarów zastosowań wraz z innymi trudnymi środowiskami, w których wymagane są ekstremalne prędkości obrotowe lub jest dopuszczalny hałas z nieskompensowanych silników SR. ? Hałas silnika jest łagodzony przez wytłumiające i pomysłowe rozwiązania elektromechaniczne, lecz powoduje to wzrost ceny produktu ? mówi Zellman.
Mniej nagrzewające się podczas pracy silniki z przełączaną reluktancją pozwalają także na krótkie działanie dużej wartości prądu, w celu osiągnięcia maksymalnego momentu obrotowego przy pracy w ciężkich aplikacjach. Jako następną zaletę technologii SR Zellman wymienia uniwersalną geometrię silnika ? wymieniając wersje silników, których kształty przypominają długie cylindryczne jednostki lub bardzo płaskie modele.
W czasie gdy bardziej znana jest zdolność osiągania wysokich prędkości, Zellman wspomina o bardzo udanym zastosowaniu silnika SR dla niskich obrotów. Emotron jest liderem na rynku europejskim dla obrotowych wymienników ciepła, w których technologia SR zapewnia rozwiązanie gwarantujące prędkość znamionową 400 obr./min bez potrzeby stosowania przekładni. Działanie z niskimi prędkościami zmniejsza także hałas, który jest jednym z problemów występujących w tych aplikacjach.
Napęd SR jest kluczem
Układ napędu SR (przekształtnik mocy) różni się od napędów prądu zmiennego pod względem rozmieszczenia wyłącznika zasilania oraz obwodów diod upustowych. Dla mniejszych napędów wykorzystanie zasilaczy jest opłacalnym kierunkiem z punktu widzenia projektowania, ale gotowe moduły zasilaczy nie są dostępne dla napędów SR, tak jak w przypadku innych technologii. Często w użyciu znajdują się moduły wykonane na zamówienie oraz inne bardziej kosztowne projekty. ? Posiadanie tanich modułów zasilających dostępnych dla napędów byłoby kluczowym krokiem w kierunku stworzenia bardziej konkurencyjnych systemów SR. Napędy w zakresie 1?50 kW są w najgorszym położeniu ? mówi Holling. Inaczej ma się sytuacja dla większych napędów. ? Dla naprawdę dużych napędów pracujemy z oddzielnymi zasilaczami, a nie z modułami. Wówczas koszty urządzenia są podobne do innego typu napędów o podobnych rozmiarach ? twierdzi Holling.
Napędy SR pracują przy częstotliwościach przełączania zazwyczaj 10 razy niższych niż porównywalne napędy prądu zmiennego, ponieważ silniki SR pracują także efektywnie przy niesinusoidalnych przebiegach napięcia lub prądu. Inne korzyści według Emerson to: zredukowanie strat od przepływu prądów harmonicznych, mniejsze nagrzewanie od układów elektronicznych, zmniejszenie zakłóceń radiowych i lepsza wydajność systemu. Holling z Rocky Mountain Technologies także wskazuje na tę zaletę napędu SR, mówiąc o bardzo wysokiej wydajności otrzymywanej z napędów SR, które wytwarzają niesinusoidalne przebiegi fal.
? Aby otrzymać równe obroty, uzwojenia stojana są włączane i wyłączane w ścisłej synchronizacji z kątowym położeniem wirnika (patrz rysunek), co oznacza, że częstotliwość prądów fazowych wynika z prędkości wirnika, a nie odwrotnie ? wyjaśnia Boteler. Napędy SR wymagają pewnej informacji o położeniu wirnika, aby precyzyjnie regulować przełączenia pomiędzy fazami silnika. Można to uzyskać z prostego dekodera o małej rozdzielczości lub za pomocą metod niewymagających stosowania sensorów. Metody te oceniają położenie wirnika na podstawie prądu i napięcia fazowego. Przełączanie faz staje się krytyczne przy wysokich prędkościach obrotowych, ponieważ znaczący ruch wirnika występuje podczas wzrastania lub zaniku prądu. ? Konieczna jest kompensacja tego stanu poprzez wyprzedzanie kątów przełączania pasm fazowych w czasie wzrastania prędkości ? analogicznie do działania regulatora podciśnieniowego wyprzedzenia zapłonu w silnikach spalinowych ? dodaje Boteler.
SR nie jest silnikiem krokowym
Emerson nazywa silniki SR ?samosynchronizującymi? maszynami przeznaczonymi do zapewniania równej i ciągłej pracy wirnika ? w przeciwieństwie do podobnych silników krokowych (kilka innych źródeł zdaje się stawiać obydwa typy silników w tej samej kategorii). Emotron potwierdza, że współczesne silniki SR nie są silnikami krokowymi, ponieważ prąd jest stale monitorowany i sterowany odpowiednio do położenia kątowego wirnika. Ekspertyza firmy Emotron obejmuje bezsensorowe metody sterowania silnikami SR. Zellman potwierdza zainstalowanie ponad 20 tys. systemów SR z opatentowanym rozwiązaniem IntraSens do monitorowania położenia wirnika.
Za pomocą optymalnej kontroli kątów przełączeń i kompensacji prądu przez napędy SR, można minimalizować zacięcia i słyszalne hałasy nieskompensowanego silnika SR, umożliwiając równe obroty i uzyskanie najlepszego momentu obrotowego. ? Mechaniczna i elektromagnetyczna konstrukcja silnika musi być tak zaprojektowana, aby redukować hałas, który może być problemem, gdy dochodzi do konkurencji przy użyciu w aplikacjach ogólnego zastosowania ? dodaje Holling. ? Połączenie właściwej geometrii silnika i odpowiedniego sterowania stworzy zauważalnie bardziej cichy silnik. To kwestia samego systemu.
Dodatkowo narzędzia do projektowania są kluczowe do powiązania zależności pomiędzy nieliniowym prądem a momentem obrotowym w silnikach SR. Holling wymienia oprogramowanie SPEED jako wartościowe narzędzie projektowe wykorzystywane do projektowania silników SR w RMT. Dla silników z dużą szczeliną powietrzną, RMT wykorzystuje analizę elementów skończonych w powiązaniu z MatLab-Simulink do optymalizacji całego systemu ? na przykład podczas projektowania silników na parametry powyżej 50 tys. obr./min.
Oszczędność szczeliny powietrznej
Rocky Mountain Technologies podkreśla, że kluczowym zagadnieniem przy produkcji ekonomicznych silników SR jest możliwość projektowania ich z większą szczeliną powietrzną, co upraszcza konstrukcję mechaniczną i montaż. ? Rutynowo wykonujemy szczeliny od 0,5 mm do 1,5 mm dla silników powyżej 1 HP (ok. 0,7 kW) oraz najchętniej 1?1,5 mm ? mówi Holling. Małe szczeliny mogą powodować problemy, takie jak: zużycie łożysk, nierówny moment obrotowy oraz hałas. Kontrastuje to z wieloma silnikami zaprojektowanymi z mniejszą szczeliną powietrzną, zazwyczaj w zakresie od 0,25 mm do 0,50 mm.
Holling przedstawia ten problem poprzez porównanie dwóch szczelin o różnych rozmiarach w przypadku, gdy wirnik jest często narażony na duże siły boczne. Szczelina 0,25 mm i ?0,03 mm na ustawienie wirnika spowoduje 20% pulsacje momentu obrotowego. ? Dlatego potrzebne są bardzo precyzyjne elementy, montaż i łożyska, które mogą radzićsobie z tymi wahaniami momentu obrotowego i wciąż utrzymywać żywotność produktu na przyzwoitym poziomie. Oznacza to dodatkowy koszt ? mówi Holling.
Dla szczeliny 1 mm i takiej samej odchyłki ?0,03 mm w ustawieniu wirnika pulsacje momentu obrotowego spadają do 5% i problem właściwie znika. ? Nie musimy wykorzystywać specjalnych wzmocnień; możemy zaakceptować normalne tolerancje związane z obróbką maszynową, używać standardowych łożysk, a silnik pracuje ciszej ? dodaje Holling.
W związku z przedsięwzięciami w obszarze rurociągów ? tak jak wdrożenie nowej platformy SR firmy Emerson Motor na rynku amerykańskim ? systemy z przełączaną reluktancją znajdą prawdopodobnie szersze zastosowanie.