Sprawne silniki pozwalają zaoszczędzić

Niska kwota, za jaką kupiono silnik, może oznaczać, że inwestor nie wziął pod uwagę kosztów eksploatacji tego silnika i tego, ile zapłaci za prąd. Przemysłowe silniki elektryczne są tego najlepszym przykładem, gdzie 97-98% kosztów eksploatacji stanowią opłaty za energię elektryczną. Kupując silnik nie dajmy więc zamydlić sobie oczu jego niską ceną.
Tłumacząc najprościej, najsprawniejsze silniki elektryczne są wysokiej jakości wersją silników standardowych. Zawierają więcej elektrycznie ?sprawnych? materiałów (stalowe warstwy i miedź) w zasadniczo tych samych podzespołach, stąd ich wyższa cena o ok. 15-30%. To wydatek, który warto ponieść, biorąc pod uwagę opłatę za energię, równającą się kosztom eksploatacji podczas cyklu życia silnika.
Przy zakupie silników elektrycznych tendencja do ukrywania prawdziwych kosztów eksploatacji nadal trwa. Odkąd niższe koszty zakupu stały się celem większości działów zakupów, kupowanie mniej kosztownych i o niższej sprawności silników wydaje się na pierwszy rzut oka atrakcyjne. Nie zwraca się uwagi na rosnące koszty ich eksploatacji. Z takich kosztów doskonale zdają sobie sprawę inżynierowie w fabrykach oraz serwis. Jednakże nie zawsze biorą oni udziału przy zakupie produktów. Kierownictwo wysokiego szczebla i dział zaopatrzenia muszą uzmysłowić sobie wpływ sprawności urządzeń na działalność biznesu. Ogólna tendencja panująca w firmie, by zmniejszać jednorazowe wydatki, może odbić się później na zyskach przedsiębiorstwa.
Dlaczego należy brać pod uwagę oszczędność energii przy wyborze silnika elektrycznego? Silniki elektryczne zużywają znaczną część energii w przemyśle, zwłaszcza w krajach rozwiniętych. W Stanach Zjednoczonych, jak szacuje Departament Energetyki (DOE ? Department of Energy), silniki elektryczne zużywają 63% energii w przemyśle, to jest 25% ogólnego zużycia energii.
Zagadnienie oszczędnośći energii nie dotyczy tylko silników elektrycznych, ale odnosi się także do innych elementów systemu energetycznego.

Do gamy silników Super-E firmy Baldor spełniających normy NEMA Premium zalicza się także jednostki ze stali nierdzewnej, począwszy od silników o zakresie  0,5-10 KM przy napięciu zasilania 230/460 V; silniki z układem hamowania o zakresie 1-30 KM; silniki do pomp serii P-base o zakresie 3-75 KM. Poziom sprawności wynosi 91,7% przy mocy 10 KM; 94,1% przy mocy 30 KM
Silniki indukcyjne
Ze względu na duże zużycie energii i szerokie zastosowanie w przemyśle silnikom asynchronicznym prądu zmiennego poświęcono wiele pracy w celu zwiększenia i poprawy ich sprawności, uwzględniając ichrozwój, określenie norm oraz biorąc pod uwagę uregulowania prawne. Choć energooszczędne silniki (ang. EE ? energy-efficient) są dostępne na rynku od ponad 20 lat w przemyśle petrochemicznym i ciężkim (normy IEEE 841), to jednak nadal podejmowane są nowe inicjatywy ustawodawcze oraz inne działania dotyczące zagadnienia oszczędności energii.
W Stanach Zjednoczonych ? w odniesieniu do silników energooszczędnych (EE) ? obowiązują normy Energy Policy and Conservation Act (EPAct) z roku 1994. Normy te weszły w życie w październiku 1997 roku i określają jednocześnie nominalne i minimalne poziomy sprawności dla 3-fazowych silników ogólnego zastosowania o mocy od  1 do 200 koni mechanicznych, silników sprzedawanych lub importowanych do Stanów Zjednoczonych. Jest to zaskakujące dla koncernów w Europie, biorąc pod uwagę dyrektywy oraz wytyczne wydane i obowiązujące w Unii Europejskiej. Normy EPAct dotyczą silników w wykonaniu przewietrzanym (ODP) i w obudowie zamkniętej (TEFC), montowanych na podstawach (łapach) 2-, 4- i 6-biegunowych, zasilanych napięciem 230/460 V. Wartości sprawności wg EPAct sięgają 95% dla silników o mocy 200 KM, 4-biegunowych.

Emerson Motor Technologies oferuje produkty o podwyższonej sprawności o ok. 2-5% niż silniki EPAct (lub starsze wersje silników o większej sprawności). Silniki US Motors 841 plus przeznaczone do pracy w ciężkich warunkach spełniają normy sprawności NEMA Premium z takimi właściwościami, jakie wykazuje wyważony precyzyjnie wirnik ze współczynnikiem 0,05 ips i łożyskami o długiej  żywotności
UE i Europejskie Stowarzyszenie Producentów (European Committee of Manufacturers of Electrical Machines and Power Electronics ? CEMEP) również zaczęło stosować normy EPAct w zakresie klasyfikacji i oznakowania (bez uregulowań prawnych) dla nominalnej sprawności silników 2- i 4-biegunowych w zakresie 1,1-90 kW (1,5-120 KM) zasilanych napięciem 400 V, 50 Hz. Standard ten określa trzy klasy sprawności: Eff1 (wysoka sprawność), Eff2 (zwiększona sprawność) i Eff3 (standard) ? niższa klasa sprawności, która nie jest zalecana w produkcji przez Unię Europejską.
? Umowa pomiędzy 36-ma europejskimi producentami dotyczyła redukcji produkcji silników klasy Eff3 do końca 2003 r. do 50%, co zostało osiągnięte ? wyjaśnia Sven
Sjöberg, członek CEMEP i wiceprezes ds. marketingu silników w firmie ABB w Szwecji. ? Redukcja silników Eff3 była dużo większa niż wymagane przez komisję EU 50%. Natomiast koszt przejścia z klasy silników Eff2 na klasę Eff1 nie okazał się już takim sukcesem ? nie osiągnął takiej skali i wyniósł 7,8% dla 2-biegunowych silników oraz 5,2% dla 4-biegunowych w 2003 r. Sjöberg ocenia udział firmy ABB w produkcji silników Eff1 na poziomie 17,7% i 16,6%, nie uwzględniając przy tym silników Eff3 wykonanych w ostatnich trzech latach.
W połowie 2001 roku ? w wyniku połączenia norm NEMA (National Electrical Manufacturing Association) i norm CEE (Consortium for Energy Efficiency) ? ujednolicono normy dotyczące sprawności silników. Tym samym powstał więc jeden obowiązujący wykaz  norm, znany jako ?NEMA Premium?. Wykaz ten objął również dodatkowo silniki ODP i TEFC w zakresie 1-500 KM (2-, 4- i 6-biegunowe) przy napięciu zasilania do 600 V. NEMA Premium (NP) rozszerzył swój zakres na silniki średniego napięcia o mocy 250-500 KM, silniki specjalnego przeznaczenia zasilanych napięciem do 5 kV i sposobami mocowania nieujętymi w EPAct. Sprawności znamionowe w NEMA Premium są wyższe niż w EPAct, pozostając na poziomie 96,2% dla największych silników niskiego napięcia o mocy 500 KM, 4-biegunowych.
Rozwój norm i nowych inicjatyw dotyczących sprawności silników sprawia, iż inne państwa korzystają z norm wcześniej przyjętych lub tworzą własne dla silników oszczędnych (EE).

Zmniejszaj straty, zwróć uwagę na sprawność

Ogólnie wszystko sprowadza się do jakości wykonania: mniejsze tolerancje/komponenty, wyższej jakości materiały, dobre wykonanie. Takie cechy, jak ilość i jakość charakteryzują silniki klasy EE. W porównaniu do wyrobów standardowych silniki te składają się z większej liczby warstw stali wysokiej jakości i miedzi ? tzw. elektrycznych materiałów ?aktywnych? (patrz rysunek). Silniki EE zwiększają sprawność poprzez ograniczenie strat mocy. Na straty mocy składa się 5 elementów:

  • rezystancja stojana (I2R) ? straty w uzwojeniach stojana,
  • rezystancja wirnika (I2R) ? straty w uzwojeniach wirnika i łożyskach,
  • rdzeń ? straty magnetyczne w warstwach, indukcyjność, straty wiroprądowe,
  • tarcie i opór powietrza ? mechaniczny opór łożysk i łopatek wiatraka,
  • straty dodatkowe ? straty magnetyczne w szczelinie pomiędzy wirnikiem a stojanem; inne starty wynikające z niskiej jakości wykonania silnika.

Trzy pierwsze kategorie dają największe możliwości redukcji start poprzez zastosowanie najnowszych rozwiązań m.in. zastosowanie materiałów ?aktywnych?. Węższe szczeliny i specjalne warstwy stalowe pomagają zredukować straty w rdzeniu. Pręty miedziane wirnika zmniejszają rezystancję wirnika. Jednakże te środki podwyższają cenę urządzenia.

Silniki EE charakteryzuje bardziej płaska krzywa sprawności przy zmniejszonym obciążeniu i nieco wyższej prędkości podstawowej, z powodu mniejszego poślizgu niż w silniku standardowym. Mniejszy poślizg może, lecz nie musi, mieć wpływ na niektóre zastosowania. Większe silniki osiągają większe wartości sprawności niż mniejsze silniki.

Postęp
Amerykańskie normy EPAct okazały się dużym krokiem naprzód, lecz miały ograniczony zakres, który mógł być szerszy, ale wymagałby kolejnego aktu ustawodawczego ? mało prawdopodobnego do ustanowienia i zrealizowania obecnie. Mimo wszystko NEMA Premium stało się standardem sprawności. ? W przyszłości nie przewiduje się żadnych zmian w przepisach EPAct ? mówi Robert Boteler, dyrektor ds. marketingu w firmie Emerson Motor Technologies. ? NEMA Premium zyskało akceptację wśród szerokiego grona udziałowców i akceptacja ta ciągle wzrasta.
Boteler nie wierzy, żeby normy państwowe były poszerzone, aby objąć dodatkowy zakres silników.
Wdrożenie norm EPAct poszło dość sprawnie. Amerykański departament energii DOE (Department of Energy), zgodnie ze swoją rolą w EPAct, współpracuje z producentami silników po to, aby kontrolować przestrzeganie norm. Do tej pory wydano 63 ustawy, a ponad połowa z nich dotyczy silników pochodzących z importu. To pokazuje, że produkty spełniają normy sprawności.
John Malinowski z Baldor Electric, kierownik produktu ds. silników prądu zmiennego i stałego zgadza się z opinią, że rośnie sprzedaż silników NEMA Premium, które objęte są przez lokalne programy promocyjne i reklamowe. Programy rabatowe są realizowane na: Zachodnim Wybrzeżu, północno-wschodniej części i w kliku regionach Środkowego Zachodu (mowa tu oczywiście o USA ? przypis tłum.). Jeśli chodzi o Europę, Malinowski twierdzi, że CEMEP wskazywał ostatnio na rosnący poziom sprawności. Zakres sprawności CEMEP Eff1 zaczyna się w punkcie odpowiadającym normom EPAct, ale nie określa żadnego wyższego poziomu sprawności, tak jak NEMA Premium.
Rockwell Automation jest zwolennikiem programu NP. ? NEMA Premium kontynuuje program budowania marki poprzez rozpoznawanie jej produktów jako najwyższej jakości silników indukcyjnych o wysokiej sprawności ? wyjaśnia Dale Basso, kierownik produktu silników prądu zmiennego w firmie Reliance. ? Najbardziej zachęcające programyreklamowe, ale także wymagania techniczne klientów mobilizują do zwiększonej sprawności, powołując się na NEMA Premium jako standard, który należy spełnić.
Basso wspomina także o programach rabatowych oferowanych przez branżę elektryczną w kilku amerykańskich stanach, zachęcające klientów do stosowania silników o wysokiej sprawności i silników  z regulowaną prędkością. ? Zakup takich silników to zwiększenie obrotów i zaoszczędzone pieniądze w przyszłości ? stwierdza Basso.
? Dotychczas Komisja Unii Europejskiej preferowała ogólnie przyjęte uzgodnienia i nie naciskała na jakiekolwiek ustanowianie jednolitych przepisów w zakresie sprawności silników ? wyjaśnia Sjöberg z firmy ABB. ? Komisja chce zwiększenia udziałów silników Eff1 do 30%, do czego odniósł się CEMEP twierdząc, iż potrzebne są subwencje dla klientów końcowych z Unii Europejskiej i od rządów poszczególnych państw.
Testowanie nie jest łatwe
Potwierdzenie normy sprawności wymaga przeprowadzenia testów. Jednakże nie ustalono dotychczas uniwersalnej metody testów z uwagi na to, że w różnych regionach stosuje się zróżnicowane metody i normy. Co więcej, pozornie prosta koncepcja określenia sprawności (stosunek mocy wyjściowej do mocy wejściowej) nie sprawdza się w praktyce z powodu dokładności pomiarów. Rygorystyczne testowanie silników jest w praktyce złożone i kosztowne ? szczególnie dla większych jednostek.
Dwie główne stosowane metody testowania są następujące: IEC Standard 60034-2 i IEEE Standard 112, metoda B. Głównie używana w Ameryce Północnej, IEEE 112 B jest preferowana i powszechnie przyjęta. Metoda IEC 60034-2 jest łatwiejsza w stosowaniu, ponieważ przyjmuje z góry ustaloną wartość dodatkowych strat obciążeniowych (0,5% mocy wejściowej). Prawdopodobnie metoda IEC zawyża wynik nawet do 2% dla silników o mocy do 10 kW i zaniża wynik dla silników powyżej 700 kW. ? IEEE 112 B i odpowiadająca jej norma kanadyjska Canadian Standards Association C390 są ciągle jedynymi normami, które dają rzeczywisty pomiar strat i dokładnie odzwierciedlają prawdziwą sprawność ? twierdzi Malinowski.
Tak więc wyniki pochodzące z różnych testów prowadzonych różnymi metodami nie mogą być bezpośrednio porównywane.
CEMEP (stosując metody IEC) nie obejmuje wyższych sprawności zapewnianych przez silniki NEMA Premium, które ? jak sugeruje CEMEP ? są nieosiągalne dla silników zbudowanych na napięcie zmienne o częstotliwości 50 Hz. ? W rzeczywistości sprawności te są do osiągnięcia, a mogą być nawet wyższe ? mówi Malinowski. ? Mniejsze tarcie elementów i powietrza, niższe straty dodatkowe z powodu niższej prędkości są nieodłącznymi zaletami dla częstotliwości 50 Hz.
Porównanie długości rdzenia wirnika (150 KM, silnik 445T-frame)

  • W wirnikach NP śrdnio potrzeba 50 % materiałów "aktywnych" więcej, aby spełnić normy sprawności NEMA Premium.
  • Pod względem sprawności silniki EPAct znajdują się pomiędzy silnikami standardowymi a silnikami NP.

Źródło: Control Engineering z danymi od Rockwell Automation/Reliance Electric
Rockwell Automation przedstawia koncepcję zastosowania ?aktywnych? materiałów (średnio 50%) do rdzenia wirnika, aby osiągnąć sprawności normy NEMA Premium. Sprawny wirnik ma nieznacznie wydłużoną oś, ale ciągle zamyka się w tej samej obudowie. Wirnik silnika standardowego wymagał dłuższych łopatek wentylatora do rozpraszania ciepła z powodu większych strat wirnika
Widok systemu, koszty eksploatacji
Silniki elektryczne mają przede wszystkim osiągnąć wysoką sprawność ? szczególnie ze względu na szeroką skalę zastosowania w układach wymagających stałej prędkościi długiego czasu pracy. Jeśli w danym przypadku należy zmienić prędkość i obciążenie, dodanie układu regulacji prędkości (ASD ? adjustable-speed drive) daje dużą oszczędność energii. Sprawność silnika pozostaje istotna, ale nie musi oznaczać wyboru najlepszego dostępnego modelu o najwyższej sprawności. ? Zyski czerpane z silników o najwyższej sprawności wiążą się z przeprojektowania systemu ? mówi Malinowski. ? Poprawa sprawności o 20% możliwa jest dzięki zmianie projektu reduktora przekładni, w porównaniu z rosnącą sprawnością na poziomie 1-2%. Takie zmiany w projekcie umożliwiają zastosowanie znacznie mniejszych i bardziej oszczędnych silników.
Boeler z firmy Emerson twierdzi, że: ? Największe potencjalne możliwości oszczędzania można osiągnąć w systemie, w którym pracują silniki. Trudno zrozumieć, jakie oszczędności może dać system, bo wymaga to zaangażowania ludzi, którzy bardzo dobrze znają operacje i procesy oraz potrafią wybrać i zastosować produkt, aby zoptymalizować wydajność. Duże zyski można także osiągnąć dzięki przeprojektowaniu układu przekładni i zastosowaniu regulacji prędkości ASD ? jeśli jest to możliwe w danej aplikacji. Sprawność silnika wzrasta wtedy o 30-40%.
Basso z Rockwell zwraca uwagę na to, iż oszczędności można uzyskać dzięki odpowiedniemu zastosowaniu silnika w odpowiednim układzie. Wymienia firmę Motor Decisions Matter (MDM), która umożliwia klientom wgląd do wielu podstawowych zagadnień dotyczących sprawności elektrycznej, razem z programami zarządzania maszynami i wykazem firm serwisowych. ? Obecnie istniejące narzędzia pozwalają użytkownikom na pomiar obciążenia i sprawności ich silników bez odłączania ich od systemu, w którym pracują ? mówi Basso. ? Narzędzia te wspomagają planowania napraw lub wymianę silników.
Zakup wyposażenia o większej sprawności wpływa znacząco na ogólny koszt inwestycji. ? Wiele firm ciągle nie rozumie koncepcji dotyczącej ponoszonych kosztów eksploatacji ? komentuje Malinowski. ? Wiąże się to zazwyczaj z brakiem właściwej komórki odpowiedzialnej za zagadnienia związane z zużyciem energii i normami sprawności.
Sjöberg z ABB zauważa, iż wiedza to nie wszystko, aby nie dać się zwieść pierwszemu wrażeniu, jakie wywołują początkowe koszty inwestycji. Wierzy jednak, że ogólny koszt eksploatacji jest dostrzegany przez użytkowników, a w szczególności tych, którzy używają silników klasy Eff1 w przemyśle przetwórczym, w którym praca trwa ponad 6000 godzin rocznie. Jednakże większość nie chce jednak ponosić wyższych kosztów o 10-25% za klasę Eff1 w porównaniu z klasą Eff2.
Miedziane wirniki
Głównym kierunkiem poprawy sprawności jest zamiana tradycyjnych prętów aluminiowych na miedziane. Powodem jest blisko 60% wyższa konduktywność miedzi. Aczkolwiek inne rozwiązania kompromisowe, jak bardziej złożony wysokotemperaturowy proces odlewania ciśnieniowego, pewien wzrost wymiarów osiowych i pewna gama droższych silników są uzasadnione. Nowe pojawiające się wciąż wyższe standardy sprawności powodują, że wirniki z miedzianymi prętami stają się rzeczywistością.
Według Malinowskiego niektóre duże silniki ? ponad tymi określonymi w NEMA (250 KM i większe) ? są już wyposażone w wirniki z miedzianymi prętami.
 
W przypadku mniejszych silników ogólnego zastosowania technologia w USA pozostaje na razie na etapie prototypów. Oczekiwane od dawna rozwiązanie powoli się urzeczywistnia. ? Ocenia się, że miedziany wirnik (zamiast aluminiowego) może zredukować straty silnika nawet o 10-15% ? mówi Basso z firmy Rockwell.
? Przemysł miedziowy znacznie posunął się w rozwoju metod ciśnieniowego zalewania prętów miedzianych ? wyjaśnia Boteler z firmy Emerson. ? Informacja, marketing i rozwój techniczny CDA (Copper Development Association) wspomagają dodatkowo ten proces. Producenci silników obserwowują proces rozwoju zastosowania miedzi, w celu określenia jej zastosowania w przyszłych projektach, biorąc jednocześnie pod uwagę ogólne przygotowanie silników pod względem sprawności oraz innych parametrów, spełniających wymagania klientów. Właściwie jest tylko kilka firm spoza USA produkujących właśnie takie silniki. SEW-Eurodrive oferuje gamę silników z wirnikiem miedzianym w klasie Eff1 o mocy do 37 kW, które są produkowane w Niemczech. Tim Schumann potwierdza dostępność silników z wirnikiem miedzianym typu DTE/DVE Series, wspominając o trudnościach w procesie zalewania ciśnieniowego, który należy dobrze opanować, aby produkować pręty miedziane. Silniki tej samej wielkości kosztują o ok. 15-20% więcej, niż silniki spełniające wymagania EPAct.

Wirniki silników DTE/DVE Series firmy SEW-Eurodrive wyposażone są w pręty miedziane, w celu podniesienia poziomu sprawności. W silnikach o zakresie 1-50 KM oferowane jest obecnie 4-biegunowe rozwiązanie
Inne typy silników i inne rozmiary?
Przyczyny ekonomiczne spowodowały, że przepisy dotyczące sprawności skupiły uwagę na indukcyjnych silnikach trójfazowych. Dlaczego by jednak nie zająć się stworzeniem certyfikacji obejmującej jednofazowe lub inne, mniejsze silniki wielofazowe. Poza tym, że jest to trudne do wykonania, to jeszcze kilka innych czynników przemawia przeciwko tej propozycji.
Zagadnienia sprawności nie zostały jeszcze odpowiednio zbadane pod kątem użytkowania, tj.: zależność obciążenia do prędkości, czas pracy, oszczędność energii. Nie są także dostępne akceptowane metody testowania,  a także, jak zwykle, przeszkodą pozostają koszty.
Bass z Rockwell daje przykład silników synchronicznych z magnesem trwałym (ang. Permanent Magnet ? PM), w których coraz częściej stosuje się napędy z regulowaną prędkością. Jak mówi: ? 15-20% strat w silnikach można wyeliminować poprzez zastosowanie technologii wirników z magnesem trwałym. Wirniki tego typu są lepsze od wirników z miedzią, ponieważ eliminują wszystkie straty. Technologia może doprowadzić do takiego stanu, gdy tę samą moc można będzie osiągnąć przy mniejszych rozmiarach maszyn.
Daje to więc podstawę do twierdzenia, że dobrze wykonane silniki synchroniczne z magnesem trwałym mają sprawność porównywalną do silników indukcyjnych klasy EE (Economy-Efficient). Jednakże to osiągi dynamiczne, a nie sprawność są głównym elementem branym pod uwagę dla tych silników. ? Z tego punktu widzenia użytkownicy tych silników nie są zmartwieni ich sprawnością ? wyjaśnia Basso.
? Być może z dodatkowym uświadomieniem sobie kosztów małej sprawności i rozwojem nowych oraz akceptowanych metod testowania mniejsze silniki i pozostałe typy, a nie tylko silniki trójfazowe indukcyjne, mogą stać się w przyszłości obiektami zainteresowania z uwagi na podnoszenie sprawności. ce
Artykuł pod redakcją Marka Olszewika www.abb.pl www.baldor.com www.copperdevelopment.org www.cee1.org  (Consortium for Energy Efficiency) www.usmotors.com (Emerson Motor Technologies) www.motorsmatter.org www.nema.org www.rockwellautomation.pl www.sew.pl