Prawidłowe korzystanie z silników o wysokiej sprawności energetycznej nie ogranicza się do poprawnego odczytania danych z tabliczki znamionowej silnika. W grudniu 2010 wprowadzono w USA nowe wytyczne zobowiązujące do stosowania silników elektrycznych o wysokiej sprawności, w Europie podobne przepisy obowiązują od dawna. Czy jesteś gotowy na kolejne bardziej surowe wytyczne?
Świadomość proekologiczna motywuje wielu ludzi, a ekologia sama w sobie jest tematem życia codziennego. Niestety nie w obszarze biznesowym, a przecież to właśnie tam każde ograniczenie zużycia energii oznacza ogromne oszczędności. Wysoce sprawne silniki elektryczne mogą pomóc w realizacji takiego przedsięwzięcia, tym bardziej że coraz ostrzejsze normy po prostu tego wymagają.
Gdy mowa o wysoce sprawnych silnikach, dotyczy to zwykle tradycyjnych silników asynchronicznych. ? Silniki indukcyjne są dostępne w energetycznych wykonaniach standardowych, o podwyższonej sprawności i o supersprawności ? twierdzi David Hansen, globalny menedżer produktu Kinetix Motion Control Rockwell Automation. ? Silniki z magnesami trwałymi dostępne są tylko w jednej klasie energetycznej.
Nie bez powodu silniki z magnesami trwałymi oferowane są tylko w jednej klasie energetycznej: ich konstrukcja sama w sobie zapewnia wysoką sprawność, ponieważ nie ma potrzeby magnesowania wirnika. John Malinowski, starszy menedżer produktu w Baldor Electric Company, podkreśla, że istnieje grupa silników indukcyjnych, które spełniają standardy międzynarodowe IEC 60034-30 w kategorii IE3 (najwyższa kategoria) i amerykańskie NEMA w kategorii Premium (również najwyższa kategoria).
Z tego powodu dyskusja zostanie ograniczona do uniwersalnych silników asynchronicznych, których wirniki wykonane są z materiałów ferromagnetycznych. Charakterystyki sprawnościowe silników z magnesami trwałymi zostaną omówione kiedy indziej.
? Silniki kategorii energetycznej Premium (odpowiednik IE3) mają mniejsze tolerancje wykonania niż starsze silniki, powodują mniejszy hałas i wibracje, wydzielają mniej ciepła i są bardziej trwałe ? twierdzi Malinowski.
? Większa sprawność nowoczesnych silników asynchronicznych jest efektem ulepszonej konstrukcji, poprawionej geometrii uzwojeń, wykorzystania lepszych materiałów (w tym miedzi w wirniku), co przekłada się na sprawniejszą zamianę energii elektrycznej na mechaniczną ? twierdzi Peter Fischbach, menedżer sektora przemysłowego w Rexroth.
Co decyduje o sprawności
? Kluczem do większej sprawności jest ograniczenie strat ? stwierdza Malinowski. ? Więcej miedzi w uzwojeniu to mniejsze straty przewodzenia, lepsza stal magnetyczna zmniejsza z kolei straty przemagnesowania. Mniejsze moce strat to mniejsze nagrzewanie, więc i mniejszy wentylator chłodzący ? kolejny zysk.
Fischbach dodaje, że większość strat to straty przewodzenia w wirniku i stojanie, nazywane często stratami histerezy lub stratami w żelazie.
Hansen wymienia rozwiązania konstrukcyjne zwiększające energooszczędność ich napędów:
- Rezystancja uzwojeń ? Wraz ze wzrostem rezystancji uzwojeń spada sprawność. Aby zwiększyć efektywność silników, projektanci starają się zmniejszyć rezystancję poprzez zwiększenie ilości miedzi w żłobkach i redukcję uzwojeń wystających poza stojan.
- Środek laminujący ? Straty w uzwojeniach stojana zależą bezpośrednio od jakości użytej stali magnetycznej oraz środka laminującego. Cienka izolacja powoduje mniejsze straty w rdzeniu.
- Geometria zębów ? Specjalna geometria zwiększa koncentrację strumienia magnetycznego wewnątrz silnika. Większa koncentracja to mniej rozproszonej energii, a więc większa sprawność.
Liczy się całość
? Celem w większości aplikacji przemysłowych jest powiązanie wysokiej efektywności z wysoką produktywnością ? sugeruje Fischbach. ? Kluczem do sukcesu jest analiza, modelowanie i optymalizacja całego systemu przed podjęciem decyzji o zakupie poszczególnych komponentów takich jak silniki.
Zgadza się z tym Malinowski: ? Wymiana silników to łatwy krok w dążeniu do większej sprawności, ale zysk jest ograniczony. Warto mieć silniki o sprawności rzędu 95%, ale muszą one współpracować z wysokiej jakości przekładniami o sprawnościach 9095%, a nie ze zużytymi konstrukcjami o sprawności 5060%.
Fischbach potwierdza: ? Wyższa sprawność jest pojęciem względnym, ponieważ trzeba również uwzględniać inne czynniki, które wpływają na globalną sprawność systemu, takie jak czas cyklu czy wielkość produkcji. Na przykład silnik momentowy o sprawności 80% może zużywać mniej energii niż serwonapęd o sprawności 95%, ponieważ nie wymaga stosowania przekładni, a to może dodatkowo zwiększać wydajność systemu.
Czego nie robić
? Największe błędy popełniają inżynierowie, którzy całą uwagę skupiają na tabliczce znamionowej silnika i oczekują proporcjonalnego wzrostu sprawności w ich aplikacji ? ostrzega Fischbach.
Każdy, także energooszczędny silnik ma swoją charakterystykę, dlatego musi być dobrany do konkretnej aplikacji. Na przykład silnik o klasie energetycznej Premium nie oszczędzi wiele energii, jeśli będzie obciążony częściowo albo będzie wykorzystywany okazjonalnie.
Malinowski podaje przykład zamiany starego silnika napędzającego pompę odśrodkową na nowy klasy Premium. Wirnika pompy, który był zaprojektowany do współpracy ze starym silnikiem, nie wymienia się. Nowy, bardziej wydajny silnik będzie prawdopodobnie pracował z większymi obrotami, co spowoduje większe całościowe zużycie energii. System może być bardziej energooszczędny, ale dodatkowa praca, która zostanie wykonana, może być niepotrzebna.
? Projektanci, którzy są naprawdę zainteresowani zwiększaniem sprawności, nie będą dążyć wyłącznie do wymiany silnika, ale przeanalizują cały system pod kątem zużycia energii ? radzi Hansen. ? Nawet najbardziej wydajny silnik pracujący z przekładnią o niskiej sprawności nie przyniesie wymiernych korzyści energetycznych. Każda mechaniczna przekładnia między silnikiem a obciążeniem to strata energii. Bardzo precyzyjne przekładnie helikalne mają zaraz po wyjęciu z opakowania sprawność 9095%. Zużyta przekładnia to sprawność na poziomie 5060%.
? Najlepszym rozwiązaniem z punktu widzenia sprawności maszyny byłoby zrezygnowanie z mechanicznych przekładni i stosowanie silników momentowych (z magnesami trwałymi) ? podsumowuje.
Czy Ty specyfikujesz, a później kupujesz silniki o wysokiej sprawności? Bądź na to przygotowany.
Artykuł pod redakcją mgr. inż. Łukasza Urbańskiego, doktoranta w Katedrze Automatyki Przemysłowej i Robotyki Wydziału Elektrycznego Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie.
CE