Uzyskanie lepszej wydajności nie zależy jedynie od silnika
Stowarzyszenie Energy Independence and Security Act z 2007 r. (EISA 2007), którego regulacje weszły w życie 19 grudnia 2010 r., nakłada w Stanach Zjednoczonych obowiązek sprzedaży nowych silników z minimalnymi wymaganiami dotyczącymi wydajności. Nie obejmuje to silników zgromadzonych w magazynach lub silników przewijanych.
Można byłoby oczekiwać, że w wyniku zainstalowania silnika EISA o podwyższonej wydajności otrzymamy oszczędności w poborze energii elektrycznej oraz spadek kosztów operacyjnych. Jeśli tylko wymienimy silnik, który był wykorzystywany do napędzania pompy odśrodkowej lub wentylatora, na silnik EISA o podwyższonej wydajności, to możemy nie uzyskać oczekiwanych oszczędności, a być może nie uzyskamy żadnych. Dowiemy się, jak to jest możliwe.
Uzyskiwanie poprawy wydajności silnika
Większość pracujących silników stanowią 3-fazowe silniki indukcyjne prądu przemiennego. W części nieruchomej silnika, zwanej stojanem, znajdują się trzy cewki. Podczas przepływu prądu przemiennego wytwarzają one wirujące pole magnetyczne.
Wirnik silnika składa się z wału, na którym nawinięte są trzy oddzielne cewki. Wirujące pole magnetyczne wytworzone przez prąd przemienny płynący w cewkach stojana powoduje przepływ prądu w uzwojeniach wirnika. Prąd płynący w wirniku wytwarza własne pole magnetyczne, które podąża za wirującym polem magnetycznym stojana, wywołując powstanie momentu obrotowego na wirniku i wprawiając go w ruch.
Ponieważ prąd wytworzony w uzwojeniach wirnika jest wynikiem wirującego pola magnetycznego stojana, to musi istnieć różnica pomiędzy prędkością pola stojana, zwaną prędkością synchroniczną, a prędkością obrotową wirnika. Różnicę pomiędzy prędkościami obrotowymi stojana i wirnika nazywamy poślizgiem, a wielkość poślizgu zależy od obciążenia silnika. Na przykład silnik dwubiegunowy podłączony do źródła napięcia o częstotliwości 60 Hz wytwarza w stojanie pole magnetyczne wirujące z prędkością 3600 obr./min. Jeżeli poślizg wywołany obciążeniem wynosi 50 obr./min, to wirnik będzie obracał się z prędkością 3550 obr./min.
Jak to się odnosi do silników EISA? Wyższa wydajność jest osiągana przez użycie większej ilości miedzi w uzwojeniach wirnika. Większe uzwojenie w wirniku zapewnia mniejszą rezystancję dla zaindukowanego prądu. To z kolei wytwarza silniejsze pole magnetyczne w wirniku, powodując zmniejszenie poślizgu i większą prędkość obrotową wirnika.
Na przykład przeglądając dane z U.S. Dept. Of Energy MotorMaster Program, średni silnik o mocy 75 KM (56 kW) o standardowej wydajności ma prędkość obrotową ok. 3535 obr./min przy sprawności 94% dla pełnego obciążenia. Silnik wysokiej wydajności NEMA Premium tej samej wielkości, spełniający wymagania EISA, ma prędkość obrotową około 3555 obr./min przy sprawności 96% dla pełnego obciążenia. Silniki NEMA Premium mają o 2% wyższą sprawność dla pełnego obciążenia i prędkość obrotową większą o 20 obr./min niż starsze standardowe silniki o podwyższonej sprawności.
Wymieniając standardowy silnik o podwyższonej sprawności na silnik EISA o wyższej prędkości obrotowej i wyższej sprawności w aplikacji z pompą odśrodkową nie uzyskamy 2% redukcji kosztów operacyjnych, jakich moglibyśmy się spodziewać po bardziej wydajnym silniku.
Powód braku oszczędności energii może być związany z systemem. Oto, co się dzieje:
Silnik EISA charakteryzuje się mniejszym poślizgiem niż standardowy silnik, co powoduje zwiększenie obrotów silnika.
Ponieważ istnieje bezpośrednie połączenie silnika i pompy, to pompa także obraca się z większą prędkością. Zgodnie z prawami podobieństwa przepływu powoduje to zwiększenie wartości naporu i przepływu w pompie.
Ponieważ poziom przepływu w systemie jest kontrolowany przez zawór sterujący przepływem, to pomimo wzrostu ciśnienia naporu powodującego zwiększenie ciśnienia tłoczenia, wielkość przepływu pozostaje taka sama.
Powoduje to zwiększenie ciśnienia tłoczenia, które zwiększa ciśnienie na zaworze kontrolującym przepływ.
Zawór musi zdławić więcej, aby ograniczyć wielkość przepływu do ok. 3785 litrów na minutę, powodując zwiększenie ciśnienia różnicowego na zaworze.
Patrząc na całość systemu, dodatkowe ciśnienie wytworzone przez pompę (do wytworzenia którego potrzebna jest dodatkowa energia) skutkuje powstaniem większego ciśnienia różnicowego zaworu przy tej samej wartości przepływu. Tak więc dodatkowa energia włożona do systemu przez pompę jest zniwelowana przez zawór sterujący w postaci ciepła, hałasu lub wibracji, co odrobinę niweczy podniesioną wydajność silnika EISA.
Zobaczmy, co należy zmienić w systemie, aby osiągnąć 2% redukcję w poborze energii i kosztach operacyjnych, czego normalnie należałoby oczekiwać po zastosowaniu silnika o zwiększonej wydajności EISA.
Jeśli zmniejszylibyśmy średnicę wirnika pompy podłączonej do silnika EISA pracującego z większą prędkością obrotową, wtedy zredukowalibyśmy ciśnienie tłoczenia do wartości 69,5 m wymaganej przez system.
Poprzez dopasowanie wirnika pompa wytwarza wymaganą wartość ciśnienia wynoszącą 69,5 m. W wyniku tego uzyskujemy zmniejszenie poboru energii i osiągamy 2% redukcję rocznych kosztów operacyjnych, których oczekiwaliśmy po zainwestowaniu w silnik spełniający standardy EISA.
Wnioski
W przypadku wymiany silnika indukcyjnego na silnik o zwiększonej wydajności należy wiedzieć, że usprawnienia polegające na zwiększeniu wydajności silnika z reguły zmniejszają poślizg, co skutkuje większą prędkością obrotową. Jeśli silnik napędza pompę odśrodkową, to zwiększona prędkość obrotowa powoduje zwiększenie ciśnienia w głowicy pompy. To dodatkowe ciśnienie wytworzone przez pompę z powodu zwiększonych obrotów wymaga dodatkowej energii z silnika. Jedynym sposobem uzyskania korzyści z zastosowania silnika o zwiększonej wydajności jest nastawienie wirnika pompy w ten sposób, aby pompa wytwarzała takie samo ciśnienie przy większych obrotach silnika. Po dokonaniu tego możemy osiągnąć zakładane oszczędności.
Jeśli nie zostanie zmieniony wirnik pompy, wtedy zwrócą się koszty silnika, ale nie osiągniemy pełnych oszczędności w kosztach operacyjnych.
W systemach, gdzie pracują pompy, ważna jest ocena całości systemu, a nie skupianie się na jego pojedynczych elementach.
Artykuł pod redakcją Marka Olszewika
Autor: Ray Hardee
