W napędach maszyn i urządzeń przemysłowych zasadniczą funkcję pełnią napędy elektryczne. Umożliwiają one realizację bardzo wielu procesów przemysłowych, takich jak wytwarzanie sprężonego powietrza, pompowanie wody, wentylacja, obróbka mechaniczna oraz przetwarzanie materiałów i produktów. Rosnące koszty energii elektrycznej oraz konieczność ograniczania emisji gazów cieplarnianych do atmosfery sprawiają, że coraz chętniej poszukiwane są sposoby efektywnego wykorzystywania energii elektrycznej. Jednym z nich jest zastosowanie energooszczędnych systemów napędowych.
Napędy elektryczne i systemy, które wprowadzają w ruch (pompy, wentylatory, kompresory itd.), to jedne z największych odbiorców energii elektrycznej. Konsumują jej 2,5 razy więcej aniżeli oświetlenie. Według danych zebranych w ramach projektu DecarbEurope [1] napędy elektryczne zużywają powyżej 50% energii elektrycznej wyprodukowanej na świecie i odpowiadają za zużycie 70% energii w światowym przemyśle.
Ponad połowa wszystkich wykorzystywanych obecnie napędów elektrycznych jest niemal dwa razy starsza niż przewidziany ich okres eksploatacji, określany na 20–30 lat. Nadzieję na poprawę tej sytuacji niosą ze sobą nowe technologie w branży napędowej. Mogą one przyczynić się do redukcji zapotrzebowania energetycznego silników stosowanych w globalnej gospodarce o 20–30%, i to przy krótkim czasie zwrotu. Szacuje się, że do 2040 r. globalna oszczędność energii w przypadku napędów i zależnych od nich aplikacji mogłaby osiągnąć 3,050 TWh rocznie.
Normy dotyczące napędów energooszczędnych
Klasyfikacji silników ze względu na ich energooszczędność dokonano w 1999 r. Była ona następstwem wspólnej decyzji CEMEP (European Committee of Manufacturers and Power Electronics) i Komisji Europejskiej. Wzięto wówczas pod uwagę silniki indukcyjne, trójfazowe, o budowie zamkniętej, zasilane napięciem 400 V/50 Hz, z 2 lub 4 biegunami (biegowe), o mocy od 1,1 kW do 90 kW.
Zasady gospodarowania energią porządkują europejskie regulacje efektywności energetycznej EU MEPS (European Minimum Energy Performance Standard). Ustanawiają one minimalne poziomy sprawności silników elektrycznych wprowadzanych na rynek europejski:
→ EFF1 – silniki najbardziej energooszczędne,
→ EFF2 – urządzenia o średnim poziomie sprawności,
→ EFF3 – silniki o najniższej sprawności.
Ponieważ ta klasyfikacja miała pewne wady, które wynikały ze sposobu wyznaczania poziomu sprawności silników elektrycznych, IEC (International Electrotechnical Commission) rozpoczęła pracę w celu wprowadzenia jednej normy międzynarodowej. Tak powstała norma europejska IEC 60034-30:2008. W 2014 r. została ona zastąpiona przez IEC 60034–30-1, „Rotating electrical machines. Part 30: Efficiency classes of single-speed, three-phase, cage-induction motors (IE-code)”.
W naszym kraju norma europejska IEC 60034-30-1 funkcjonuje jako polska norma PN-EN 60034-30-1:2014-11 – „Maszyny elektryczne wirujące. Część 30-1: Klasy sprawności silników prądu przemiennego bezpośrednio zasilanych z sieci (Kod IE)”. Norma ta wprowadza następujące klasy sprawności silnika:
→ IE1 – silniki standardowe (standard),
→ IE2 – silniki o wysokiej sprawności (high efficiency),
→ IE3 – silniki o bardzo wysokiej sprawności (premium),
→ IE4 – silniki o superwysokiej sprawności (super premium).
Wprowadza też klasę sprawności – IE5, ale bez podania dla niej wymaganych poziomów sprawności.
Norma PN-EN 60034-30-1:2014-11 określa klasy sprawności jednobiegowych silników elektrycznych, które są znamionowane zgodnie z IEC 60034-1 lub IEC 60079-0, przeznaczonych do pracy przy zasilaniu z sinusoidalnego źródła napięcia oraz:
→ o mocy znamionowej PN od 0,12 kW do 1000 kW,
→ o napięciu znamionowym UN powyżej 50 V do 1 kV,
→ o 2, 4, 6 lub 8 biegunach,
→ przeznaczone do pracy ciągłej przy obciążeniu znamionowym i z przyrostem
temperatury nieprzekraczającym temperatury dopuszczalnej ze względu na klasę izolacji,
→ przeznaczone do pracy w temperaturze otoczenia w zakresie od –20°C do +60°C,
→ przeznaczone do pracy na wysokości nieprzekraczającej 4 tys. m nad poziomem morza.
Norma ta wprowadza zestaw wartości granicznych sprawności w zależności od częstotliwości, liczby biegunów i mocy silnika. Nie rozróżnia się technologii wykonania silnika, napięcia zasilania lub silników ze wzmocnioną izolacją, zaprojektowanych specjalnie do pracy przy zasilaniu przekształtnikowym, chociaż te technologie wykonania silnika mogą nie wszystkie być przydatne do osiągnięcia wyższych klas sprawności. To sprawia, że różne technologie wykonania silnika są porównywalne ze względu na ich potencjał sprawności energetycznej.
Ze względu na to, że opisywana norma obejmuje też silniki o mocach z zakresu 0,75 kW do 375 kW, warto zwrócić uwagę, że na terenie UE takie silniki muszą odpowiadać co najmniej klasie sprawności IE3 lub klasie sprawności IE2, jeżeli są wyposażone w układ płynnej regulacji prędkości obrotowej.
Od lipca 2021 r. zacznie obowiązywać rozporządzenie (UE) 2019/1781 ustanawiające wymogi dotyczące ekoprojektu dla silników elektrycznych i układów bezstopniowej regulacji obrotów (tym samym zmienione zostanie rozporządzenie (WE) nr 641/2009 w odniesieniu do wymogów dotyczących ekoprojektu dla pomp cyrkulacyjnych bezdławnicowych wolnostojących i pomp cyrkulacyjnych bezdławnicowych zintegrowanych z produktami oraz uchylone rozporządzenie Komisji (WE) nr 640/2009). Na mocy nowych przepisów uregulowanych zostanie kilka wymogów odnośnie do silników indukcyjnych, które wcześniej nie były objęte rozporządzeniem, w tym:
→ mniejszych silników o mocy od 120 W do 750 W,
→ większych silników o mocy od 375 kW do 1000 kW,
→ silników 60 Hz, silników 8-biegunowych i silników jednofazowych (te ostatnie dopiero od lipca 2023 r.).
Poziom wymagań dodatkowo wzrośnie, ponieważ silniki trójfazowe o mocy znamionowej od 0,75 kW do 1000 kW lub poniżej 1000 kW muszą osiągnąć poziom IE3 od lipca 2021 r. Silniki o mocy od 75 kW do 200 kW muszą osiągnąć poziom IE4, począwszy od lipca 2023 r.
Regulacja ta obejmuje również sprawność napędów o zmiennej prędkości obrotowej i obie grupy produktów podlegają wymaganiom informacyjnym, takim jak sprawność w różnych punktach obciążenia, w zakresie prędkości obrotowej i momentu obrotowego.
Sprawność silnika – jak ją określić
Sprawność energetyczna silnika elektrycznego stanowi iloraz jego mocy wyjściowej (mechanicznej) oraz mocy wejściowej (elektrycznej). Sprawność energetyczna silnika elektrycznego η jest definiowana jako iloraz jego mocy wyjściowej (mechanicznej) do mocy wejściowej (elektrycznej), co wyraża wzór:
η = Pwy / Pwe
Można ją policzyć metodą bezpośrednią lub pośrednią. Pierwsza polega na wyznaczeniu wartości obu wielkości na podstawie, odpowiednio, prędkości i momentu obrotowego silnika oraz prądu i napięcia zasilania. W metodzie pośredniej moc wejściową lub wyjściową określa się identycznie, natomiast brakujący składnik równania oblicza się, uwzględniając straty Pt w silniku według wzoru:
η = (Pwe− Pt) / Pwe
lub
η = Pwy / (Pwy+Pt) [2]
Norma IEC 60034-2-1:2014 – „Rotating electrical machines. Part 2-1: Standard methods for determining losses and efficiency from tests (excluding machines for traction vehicles)” z polskim odpowiednikiem PN-EN 60034-2-1:2015-01 – „Maszyny elektryczne wirujące – Część 2-1: Znormalizowane metody wyznaczania strat i sprawności na podstawie badań (z wyjątkiem maszyn pojazdów trakcyjnych)” podaje dziesięć metod pomiarowych – bezpośrednich (m.in. maszyny wzorcowej oraz przeciwsobnej mechanicznej) i pośrednich (strat całkowitych i strat poszczególnych). W przypadku obu metod przewidziano niedokładność: niską, średnią albo wysoką. Niska niedokładność zachodzi wtedy, kiedy wszystkie składniki sumarycznych strat w silniku są określane na podstawie badań. Niedokładność średnia dotyczy metod, w których przyjmuje się ograniczoną liczbę założeń. Wreszcie, niepewność wysoką mają metody, w których wszystkie straty są wyznaczane tylko w przybliżeniu.
Parametr niedokładności pozwala dobrać konkretny sposób badania silnika danej klasy. Dla urządzeń w grupie IE1 dopuszczalne są metody, które charakteryzuje niepewność niska oraz średnia. Natomiast sprawność silników należących do grup IE2 i IE3 musi być określana wyłącznie za pomocą metod o niskiej niepewności.
Informacja o tym, jaką metodą została wyznaczona sprawność, jest bardzo ważna i powinna być umieszczona w dokumentacji silnika. Wartości tej wielkości podawane przez różnych producentów można porównywać, o ile zostały wyznaczone w ten sam sposób.
Dobór napędu
Jak dobrać napęd, radzi firma Websystem, dystrybutor produktów firmy Lenze [3]. Najważniejsze są zatem parametry określone na tabliczce znamionowej silnika: rodzaj prądu – silnik stało- lub zmiennoprądowy, napięcie, moc, prędkość obrotowa, a przy silnikach prądu przemiennego także częstotliwość i współczynnik mocy. Dalsze kryteria doboru to warunki, w jakich ma pracować silnik. Oto one:
1. Charakter sieci, do której silnik ma być przyłączony. Sieć publiczna czy wewnętrzzakładowa (kwestia ograniczenia prądu rozruchowego)? Dalej, napięcie sieci z uwzględnieniem przewidywanych jego odchyleń od wartości znamionowej;
2. Pomieszczenie, w którym będzie pracował silnik. Sposób ustawienia silnika (przenośny, przewoźny, ustawiony na stałe na fundamencie lub zawieszony, albo też wbudowany do maszyny napędzanej). Poza tym czynniki występujące w pomieszczeniu, takie jak wilgoć, pył, gazy wybuchowe, wyziewy żrące;
3. Branża przemysłu, rodzaj procesu technologicznego i maszyny napędzanej;
4. Charakterystyka układu napędowego – przebieg obciążenia, rodzaj pracy (ciągła, dorywcza, przerywana), częstość włączeń, prędkość obrotowa (stała, zmienna z podaniem zakresu regulacji), warunki rozruchowe, hamowanie, zmiana kierunku wirowania;
5. Sprzęgnięcie silnika – bezpośrednie z podaniem rodzaju sprzęgła, napęd pasowy czy też przekładnia zębata, wymiary wału napędowego, położenie wału;
6. Obsługa silnika, rodzaj sterowania, zabezpieczeń.
Przykładowe zastosowania
W sytuacji gdy w celu zmiany wydatku lub ciśnienia konieczna jest zmiana prędkości silnika, firma Leroy-Sommer Electric Motors & Generators zaleca zastosowanie silnika z magnesami trwałymi (PM), który zapewnia większe oszczędności energii niż standardowy silnik asynchroniczny prądu przemiennego (IM). Przy prędkości nominalnej sprawność silnika z magnesami trwałymi jest znacznie wyższa niż sprawność silnika asynchronicznego zasilanego przez przemiennik. Ponieważ pobór mocy przy niskich prędkościach jest niewielki, zalety silników z magnesami trwałymi stają się bardzo istotne przy średnim zapotrzebowaniu powyżej 60%. W przypadku obciążeń ze stałym momentem obrotowym pobór mocy jest proporcjonalny do prędkości, więc wpływ wyższej sprawności silników z magnesami trwałymi jest stały w całym zakresie roboczym. Zapewnia to znaczne oszczędności dodatkowe w porównaniu z rozwiązaniami z silnikami asynchronicznymi.
Oszczędnym rozwiązaniem są napędy o zmiennej prędkości. Dostosowanie prędkości silnika do zmiany zapotrzebowania w układzie napędowym umożliwia znaczne obniżenie zużycia energii oraz kosztów konserwacji elementów mechanicznych. W takim przypadku zwrot z inwestycji następuje nawet w ciągu jednego roku. Takie rozwiązania znajdują powszechne zastosowanie w napędach np. pomp, wentylatorów i sprężarek.
Do napędów o zmiennej prędkości należy np. napęd pomp hydraulicznych Sytronix firmy Bosch Rexroth. Zalety systemu Sytronix polegają na:
→ regulowanej prędkości obrotowej napędu pompy hydraulicznej;
→ zredukowanym momencie bezwładności mas wirujących zespołu pompowo-silnikowego,
→ dostarczaniu do układu hydraulicznego dokładnie takiej ilości energii, jaka w danym momencie jest potrzebna w układzie roboczym maszyny;
→ sterowaniu parametrami pracy siłowników i silników hydraulicznych poprzez regulację prędkości pracy pompy (a nie dławieniowo);
→ obniżeniu poziomu emisji hałasu, który emituje napęd hydrauliczny [4].
Jednak zasadniczą grupą napędów energooszczędnych stosowanych w automatyce przemysłowej są serwonapędy. Są to napędy pracujące w zamkniętym układzie regulacji obrotów. Podstawowym elementem serwonapędu jest silnik elektryczny, zasilany – w zależności od modelu – prądem stałym lub przemiennym. Silnik stanowi element wykonawczy serwonapędu. Jest on połączony ze sterownikiem odpowiadającym za generowanie odpowiednich prądów i napięć zasilających silnik, wg nastaw operatora i sygnałów mierzonych w układzie sterowania, zadanych i przetwarzanych właśnie w sterowniku. Informacja zwrotna dostarczana jest przez czujniki lub enkodery. Czujniki wykrywają aktualną pozycję, prędkość obrotową itp. elementu wykonawczego. Następnie przekazują informację do sterownika. W ten sposób praca serwonapędu odbywa się w układzie zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego.
Liczne zalety stosowania serwonapędów, mające istotny wpływ na oszczędne zużycie energii, podaje ich producent, firma Trans-West [5]:
→ mniejsze zużycie energii w porównaniu ze standardowymi rozwiązaniami hydraulicznymi i elektrycznymi;
→ natychmiastowy rozruch, bez potrzeby rozgrzewania oleju i osiągnięcia dawnej temperatury roboczej;
→ praca z możliwie najniższą temperaturą oleju;
→ wspomaganie elektryczne urządzeń hydraulicznych;
→ regulacja ciśnienia, np. ograniczenie prędkości obrotowej silnika przez pętlę zamkniętą;
→ uzyskanie bardzo dynamicznej regulacji w pętli zamkniętej;
→ praca systemu bez akumulatora (redukcja kosztów);
→ tylko jedno oprogramowanie i osprzęt systemu w całym zakresie mocy;
→ pompa bez przełożeń;
→ redukcja części mechanicznych, zmniejszenie objętości konstrukcji;
→ zmniejszony hałas pochodzący z pompy i zaworów kontrolnych.
Serwonapęd zastosowano we wtryskarce Demag SGM firmy Siemens. Uzyskano wymierne efekty w zakresie energooszczędności. Zużycie energii przy zastosowaniu stałej pompy łopatkowej wyglądało następująco:
→ moc pozorna S = 16,97 kVA
→ moc czynna P = 15,18 kW
→ moc bierna Q = 9,13 kvar
Zużycie energii przy zastosowaniu serwopompy z pompą stałą było zaś następujące:
→ moc pozorna S = 6,54 kVA
→ moc czynna P = 5,38 kW
→ moc bierna Q = 0,05 kvar
Roczna oszczędność wyniosła 7056,00 euro. Firma Trans-West podkreśla również zalety konwersji na serwonapęd, która daje nawet – jak podano w poradniku – oszczędność energii od 35% do 50% (w zależności od cyklu pracy).
Podsumowanie
Energooszczędne silniki to nie tylko korzyść dla środowiska, ale i wymierne oszczędności dla użytkownika. Zużywają one mniej energii elektrycznej przy takiej samej wydajności maszyny napędzanej, można je trwale obciążać mocą większą od znamionowej w szerokim zakresie prędkości obrotowej. Mają one lepsze właściwości w zakresie tolerancji na zmiany napięcia i poziomu harmonicznych napięcia. Niezawodność ich pracy umożliwia wydłużenie okresów gwarancji. Są również mniej hałaśliwe podczas pracy, więc nie wymagają stosowania środków wyciszających. Ponadto generują mniej drgań i energii cieplnej, a przyrosty temperatury urządzeń napędowych są zdecydowanie mniejsze. Szczególną zaletą napędów energooszczędnych jest ich mniejsza awaryjność.
Literatura
- „Electric motor systems”, 2018, Leonardo-ENERGY.pl, https://leonardo-energy.pl/wp-content/uploads/2019/02/SYSTEMY_SILNIK%C3%93W_ELEKTRYCZNYCH_DecarbEurope-2018-Report.pdf.
- M. Jaworowska, „Silniki energooszczędne – czyli jak być zgodnym z przepisami od stycznia 2015 roku”, AutomatykaB2B.pl, 8.01.2015,
https://automatykab2b.pl/temat-miesiaca/44716-silniki-energooszczedne-czyli-jak-byc-zgodnym-z-przepisami-od-stycznia-2015-roku. - Websystem Engineering, „Dobór napędów elektrycznych”, http://www.napedy.ppp.pl/dobor-napedow-elektrycznych/39-dobor-silnika.html.
- Bosch Rexroth, „Energooszczędne napędy hydrauliczne Sytronix zastosowane w modernizacji parku maszynowego firmy Whirlpool Polska”,
„Drive and Local Control”, nr 1/2016, dodatek informacyjny spółek Bosch Rexroth AG, https://dc-pl.resource.bosch.com/media/pl/local_01_2016_ost.pdf. - Trans-West, „Energooszczędne napędy”, http://www.transwest.pl/pl,145,energooszczedne-napedy.html?cat_id=145.
Aleksandra Solarewicz – publicystka, od 1997 r. współpracuje z prasą branżową.
