Technologia silników: Jakie parametry wpływają na efektywność?
Gdy chodzi o oszczędność energii, zawsze należy uwzględniać cały system napędowy, w tym silnik elektryczny, reduktor i elektronikę napędową. Potencjał w tym zakresie wynosi zazwyczaj od 30 do 60%. W tym artykule chcemy przyjrzeć się szczególnie możliwościom silników elektrycznych. Firma NORD DRIVESYSTEMS jest zaangażowana w to zadanie od momentu rozpoczęcia dyskusji na temat energii kilkadziesiąt lat temu i stara się pogodzić zrównoważony rozwój, lepszą efektywność ekonomiczną, większą efektywność energetyczną, a także zoptymalizowaną funkcjonalność i wydajność we wszystkich nowych i udoskonalonych projektach swoich systemów napędowych.
W oparciu o oficjalne dane OECD przemysł ma największy udział w oszczędności energii dzięki lepszej efektywności energetycznej wynoszący 51% w okresie od 2000 do 2017 roku. Największy udział ma przy tym wytwarzanie ciepła procesowego i wykorzystanie energii elektrycznej w napędach. Radykalne działania podejmowane w obu sektorach mają zatem znaczący wkład zarówno w ochronę zasobów, jak i w osiągnięcie celów klimatycznych. Silniki elektryczne są najistotniejszą grupą produktów w odniesieniu do dyrektywy w sprawie ekoprojektu, zwłaszcza z uwagi na zużycie energii w przemyśle, ponieważ systemy napędzane silnikami elektrycznymi zużywają ok. 70% energii elektrycznej wykorzystywanej w przemyśle. Stanowi to około połowy całkowitej energii elektrycznej zużywanej w Unii Europejskiej. Według szacunków w 2015 roku silniki elektryczne przetworzyły ok. 1400 terawatogodzin energii elektrycznej na energię mechaniczną i ciepło. Dlatego prawie na całym świecie istnieją przepisy dotyczące silników elektrycznych pracujących w trybie ciągłym, a w wielu regionach obowiązują nawet przepisy dotyczące systemów, które obejmują również takie maszyny jak pompy, wentylatory lub sprężarki powietrza. Regulacje dotyczące efektywności energetycznej w jednakowym stopniu mają wpływ na ochronę zasobów i efektywność ekonomiczną. Z reguły dodatkowe koszty inwestycyjne ponoszone na wszystkie silniki elektryczne, które są dostarczane zgodnie z obowiązującymi obecnie przepisami (np. IE3), włączając te, które pracują w trybie ciągłym na jednej zmianie, zwracają się już po krótkim czasie w porównaniu z silnikami IE1, które były wcześniej standardem. Firma NORD DRIVESYSTEMS na swojej stronie internetowej przedstawia aktualny przegląd obowiązujących na świecie przepisów i norm dotyczących efektywności silników.
Pierwsza fala optymalizacji efektywności
Producenci silników asynchronicznych musieli zrobić pierwszy znaczący krok w kierunku zwiększenia efektywności w ramach przygotowań do roku 2011, kiedy to weszła w życie dyrektywa 640/2009 obowiązująca do 30 czerwca 2021 roku, która wprowadziła obowiązek stosowania silników IE2 do pracy ciągłej. W rezultacie liczba użytkowanych silników IE2 podwoiła się w ciągu roku, podczas gdy wykorzystanie silników IE1 drastycznie spadło. Po raz pierwszy sprzedano znaczną liczbę silników IE3, ale ich sprzedaż wzrosła dopiero wtedy, gdy ich stosowanie stało się obowiązkowe powyżej 7,5 kW w 2015 roku i dla wszystkich mocy od 2017 roku. Oczekuje się, że nowe rozporządzenie UE 2019/1781, które od 1 lipca 2021 roku zastąpi poprzednie rozporządzenie, doprowadzi do znacznego spadku sprzedaży silników IE2, ponieważ użytkownicy zdecydują się na tańsze silniki IE1 w obszarach, w których nie trzeba będzie przestrzegać przyszłych przepisów IE3.
Straty w silnikach IE3 są o ok. 20% mniejsze niż w silnikach IE2. W większości przypadków wiąże się to z poważną zmianą, tzn. z większą ilością materiału aktywnego. Producenci zareagowali na to w różny sposób: Niektórzy zdecydowali się na zasadniczą zmianę średnicy. Wpływa to do kwadratu na wielkość powierzchni wirnika, która jest ważnym parametrem użytkowym. Pozwoliło to uniknąć wydłużenia lub dużych zmian w jakości blachy. Wielu producentów obawiało się inwestycji związanych z tym krokiem: Koszty rozwoju, nowe korpusy aluminiowe o niższej wysokości żeber i tendencja do prostokątnego konturu zewnętrznego, więcej miejsca na pakiet żelaza, takie same wymiary montażowe przy większym centrowaniu oraz nowe pokrywy łożyskowe i wentylatory lub osłony wentylatorów. Niektórzy producenci wykorzystali objętość do ostatniego milimetra, osiągnęli klasę IE2 dzięki zagęszczeniu pakietu i uzwojenia, a następnie rozważyli nowe działania w celu przejścia do klasy IE3.
Osiągniecie klasy efektywności IE3 z większą ilością materiału aktywnego o wyższej jakości
W związku z wymogiem ograniczenia strat w silnikach IE2 o 20% wiele silników asynchronicznych osiąga swoje fizyczne, a w niektórych przypadkach ekonomiczne limity. W przypadku niektórych wielkości silników oznacza to konieczność stosowania przez producentów znacznie droższych wirników miedzianych, aby uniknąć zwiększenia wielkości. W przypadku montażu reduktora silnik IE3 oznacza, że kołnierze podlegają większym obciążeniom ze względu na cięższy silnik. Od połowy 2021 roku w ramach zakresu zastosowania dyrektywy UE w sprawie ekoprojektu wyeliminowano legalną możliwość „obchodzenia” stosowania silnika IE3 przez stosowanie silników IE2 w połączeniu z przetwornicami częstotliwości. W rezultacie sprzedaż silników IE3 gwałtownie wzrosła. Dotyczy to również silników 2-, 6- i 8-biegunowych, nawet gdy wartości te są znacznie niższe niż w przypadku wersji 4-biegunowych. W przypadku mocy od 75 do 200 kW dyrektywa wyznaczyła już nowy kierunek na 2023 rok, kiedy to klasa IE4 stanie się rzeczywistością również dla standardowych silników asynchronicznych o większych mocach. Wraz ze wzrostem wymiarów rosną również wartości efektywności. Z tego powodu różnice między silnikami IE3 i IE4 są fizycznie łatwiejsze do osiągnięcia i wymagają mniejszej liczby dopasowań.
Od wirnika z magnesem trwałym do uzwojenia cewki zębatej
Podejmowanie dalszych działań w zakresie efektywności mniejszych silników jest zwykle możliwe tylko poprzez zmianę koncepcji. Firma NORD DRIVESYSTEMS celowo prowadzi politykę 4-biegunowych silników synchronicznych IE4, które mogą współpracować z przetwornicą. Zewnętrznie nie różnią się od silników asynchronicznych, pasują do systemów korpusów i umożliwiają podobne kombinacje ze standardowymi reduktorami w montażu bezpośrednim lub za pomocą adaptera. Możliwy jest również montaż przetwornic.
Dopiero kolejny krok w kierunku nowego systemu silnika synchronicznego z magnesami trwałymi współpracującego z przetwornicą częstotliwości o efektywności odpowiadającej klasie IE5+ zapewnił dalsze możliwości zmniejszenia strat mocy: Dzięki jednozębowemu uzwojeniu najkrótsze czoło uzwojenia, które jest fizycznie wykonalne przy klasycznym prowadzeniu strumienia magnetycznego, stało się rzeczywistością. Dodatkowo zastosowano pakiet żelaza wykonany z wysokiej jakości niskostratnego materiału zgodnie z zasadą: Materiał można pominąć wszędzie tam, gdzie nie jest potrzebny do prowadzenia strumienia. Pozostawia to miejsce na miedziane uzwojenie o niskiej rezystancji i kompaktową cewkę. Częstotliwości 200 Hz przy maks. 3000 obr/min wymagane ze względu na 8-biegunową konstrukcję są nadal możliwe do uzyskania. Zoptymalizowany kontur wirnika powoduje niewielkie tętnienie momentu i bardzo małe zakłócenia momentu zaczepowego, dzięki czemu silnik jest łatwy w regulacji, nawet pomimo niskiej indukcyjności i dość szybkiej reakcji. Wraz z wirnikiem o niskiej bezwładności oferuje użytkownikowi możliwość częstego wyłączania (praca w trybie start-stop) w celu zmniejszenia strat bez dużych strat energii w poruszanych masach.
Nowa technologia silników o wysokim stopniu integracji
Dzięki nowej generacji silników IE5+* firma NORD DRIVESYSTEMS robi krok w kierunku nowego środowiska systemu produktów, koncentrując się na maksymalnej efektywności energetycznej w połączeniu z kompaktową konstrukcją. Silnik synchroniczny o wielkości 71 jest odpowiedni dla zakresu mocy od 0,35 do 1,1 kW z ciągłym momentem obrotowym od 1,6 do 4,8 Nm i prędkościami obrotowymi od 0 do 2100 obr/min, a silnik o wielkości 90 dla zakresu mocy od 1,1 do 2,2 kW z ciągłym momentem obrotowym od 6,8 do 10 Nm. Pod względem gęstości mocy, niezawodności i efektywności energetycznej nowy silnik IE5+ wyznacza standardy i oferuje znaczne korzyści w zakresie wydajności, które zostały dodatkowo zoptymalizowane dzięki najnowszym udoskonaleniom motoreduktora DuoDrive, pierwszego silnika synchronicznego IE5+, który został w pełni zintegrowany z jednostopniowym reduktorem walcowym.
*Na podstawie klasyfikacji efektywności zgodnie z normami IEC60034-30-1 i IEC 60034-30-2.
