Stale rośnie w przemyśle zapotrzebowanie na napędy energooszczędne i do zastosowań związanych z systemami automatyki. Tymczasem nowe technologie dla przemysłu są obecnie coraz częściej zgodne z koncepcją Przemysłu 4.0.
Silniki elektryczne napędzają różne procesy przemysłowe, takie jak wytwarzanie sprężonego powietrza, pompowanie wody, wentylacja, obróbka mechaniczna oraz przetwarzanie materiałów i produktów.
W raporcie dotyczącym rynku silników przemysłowych na świecie, opublikowanym przez Mordor Intelligence, oszacowano jego wartość w 2017 r. na 76,14 mld dolarów. Zgodnie z przedstawionymi prognozami ma on osiągnąć do 2023 r. wartość 105,27 mld dolarów przy zakładanym przeciętnym rocznym wzroście w latach 2018–2023 na poziomie 5,44%. Jak podano, najwięcej zamówień na nowe silniki przemysłowe będzie pochodzić z branży wydobycia i przetwórstwa ropy naftowej, spożywczej i energetycznej z Ameryki Północnej oraz Azji. Dzięki postępowi technologicznemu i wdrażaniu w niektórych krajach polityk rządowych, takich jak standardy minimalnej wydajności energetycznej (MEPS), powstały energooszczędne systemy silnikowe, które zwiększyły udział w rynku silników przemysłowych.
Według ONZ systemy silników elektrycznych odpowiadają obecnie za 60% zużycia energii elektrycznej w przemyśle. Jak informują autorzy raportu, szacuje się, że silniki elektryczne odpowiadają za ok. 29% globalnego i 69% przemysłowego zużycia energii elektrycznej, a koszty energii wynoszą ok. 362 mld dolarów rocznie. Z tego powodu ogromne znaczenie ma aktywne wspieranie rozwoju i upowszechnienie silników energooszczędnych.
Wykorzystując dostępne obecnie technologie, producenci mogą dostarczać energooszczędne silniki elektryczne, pozwalające na efektywne obniżenie kosztów o 20–30%. Oczekuje się, że potencjał ten zmniejszy zużycie energii elektrycznej o 3–5 EJ (eksadżul: 1018), a także obniży emisję dwutlenku węgla o 770–1100 Mt, oszczędzając w ten sposób 72–108 mld dolarów rocznie dla przemysłu.
Jeśli chodzi o rodzaje silników, to według analityków Mordor Intelligence silniki prądu przemiennego (AC) będą miały największy udział w rynku. Zyskały one na znaczeniu w różnych gałęziach przemysłu ze względu na takie właściwości, jak generowanie znacznego momentu obrotowego, współczynnik mocy, kontrola prędkości i brak potrzeby wykorzystania komutatora, bezobsługowość i przystępne ceny.
Eksperci zwracają uwagę, że europejski sektor produkcyjny i przemysłowy jest jednym z najbardziej zaawansowanych technicznie i innowacyjnych gałęzi przemysłu na świecie. Dodatkowo polityka Unii Europejskiej wspiera działania w kierunku zmniejszenia zanieczyszczenia środowiska naturalnego i obniżenia zużycia energii do 2020 r. o 20%.
Rynek
Wśród głównych graczy na światowym rynku napędów wymienia się takie firmy, jak: General Electric, ABB, Rockwell Automation, Siemens, AMETEK, Arc Systems, Johnson Electric, Emerson Electric, Toshiba, Nidec Motor, Maxon Motor, Franklin Electric, Baldor Electric, Fuji Electric, ATB Austria Antriebstechnik i MENZEL Elektromotoren.
W układach napędowych wykorzystywanych w przemyśle duże znaczenie mają systemy sterowania, takie jak GA700 firmy YASKAWA. Jest to falownik, który, jak podaje firma, może być zastosowany do wielu zadań – od prostego transportu, pras itp. do złożonych systemów z napędami podłączonymi do sieci lub tam, gdzie wymagane są wyższe poziomy bezpieczeństwa. Może sterować silnikami indukcyjnymi z magnesami stałymi oraz silnikiem synchronicznym reluktancyjnym bez konieczności tuningu. W systemie można rozszerzać funkcjonalności, ma on też szeroki zakres obsługiwanych mocy – do 630 kW. Sterowanie jest wektorowe, a konfiguracja możliwa również poprzez aplikację mobilną DriveWizard na smartfony i tablety. W ofercie firmy Siemens znajduje się cała gama produktów z serii SINAMICS oraz MICROMASTER, co daje możliwość elastycznej konfiguracji układów napędowych do najróżniejszych zastosowań. Dostępne są interfejsy komunikacyjne, począwszy od starszego Profibus po nowoczesny Profinet, co pozwala na integrację z nadrzędnymi systemami sterowania i wizualizacji (Totally Integrated Automation – TIA). Przykładowo seria napędów SINAMICS S jest przeznaczona do zaawansowanych aplikacji maszynowych i procesowych wymagających sterowania ruchem. Portfolio pokrywa zakres mocy od 0,12 kW do 5700 kW. Są oferowane w wielu wersjach i wielkościach.
Trendy rynkowe
Obecnie, przy rosnących kosztach energii, użytkownicy szukają efektywnych i praktycznych sposobów na obniżenie jej zużycia. Odpowiedzią na tego typu zapotrzebowanie jest np. instalacja napędów o zmiennej częstotliwości.
Jeśli chodzi o główne trendy na rynku napędów, serwonapędów oraz silników krokowych, to w badaniu przeprowadzonym przez magazyn Control Engineering Polska w 2017 r. 87% respondentów informowało, że wykorzystuje lub planuje zastosować napędy regulowane w ciągu roku od badania, 46% informowało, że wykorzystuje lub w tym samym czasie planuje zastosować serwonapędy albo silniki krokowe, a 22% respondentów używa lub planuje zastosować napędy średniego napięcia. Przy okazji warto zauważyć, że wśród najważniejszych parametrów technicznych branych pod uwagę przy wyborze napędu wymieniano: odporność na częste załączanie/wyłączanie napędu (78%), dokładność pozycjonowania – dla serwonapędów i silników krokowych (93%), dokładną regulację momentu i prędkości – dla napędów średniego napięcia (88%).
Jeśli chodzi o silniki o średniej i dużej mocy, to obecnie w zakładach przemysłowych najczęściej korzysta się z indukcyjnych silników trójfazowych (wielofazowych). W większości są to silniki klatkowe. Zwłaszcza tam, gdzie są to kluczowe układy napędowe o dużej mocy, stosuje się wysokonapięciowe silniki klatkowe. Wynika to z dobrego stosunku ich ceny do niezawodności. Podkreśla się prostą konstrukcję oraz we współczesnych rozwiązaniach łatwe kształtowanie dowolnych charakterystyk zewnętrznych silnika, co pozwala wykorzystać je w napędach, w których dotychczas stosowano silniki prądu stałego.
W celu ograniczenia prądu rozruchowego (3,5–8-krotności prądu pracy) obecnie stosuje się układy energoelektroniczne typu softstart lub falownikowe. Jednak coraz częściej efektywność energetyczną stawia się na pierwszym miejscu, a koszt samego napędu z perspektywy wielu lat eksploatacji traci tu na znaczeniu.
Opłaca się także zastosowanie silników energooszczędnych poniżej 0,75 kW, jak informuje firma SEW-Eurodrive. Od początku 2018 r. oferuje ona silniki trójfazowe serii DRN w klasie IE3 również o mocy poniżej 0,75 kW. Od 1 stycznia 2017 r. w Unii Europejskiej, w Szwajcarii oraz Turcji wszystkie nowe 2-, 4- lub 6-biegunowe silniki asynchroniczne o mocy nominalnej 7,5 kW lub wyższej muszą spełniać ustawowe wytyczne w zakresie klasy energooszczędności IE3. Dla tego zakresu mocy silniki asynchroniczne nie mogą być wprowadzane do obrotu w przypadku, gdy ich wydajność energetyczna nie spełnia norm. Planowane są jednak nowe rozporządzenia dotyczące efektywności energetycznej, które dotyczą również silników asynchronicznych o mocy znamionowej poniżej 0,75 kW. SEW-Eurodrive już dziś oferuje takie modele w klasie energooszczędności IE3 o mocy od 0,09 kW do 0,55 kW. Dzięki temu zapewnione jest bezpieczeństwo inwestycji. Nowe silniki IE3 są też zgodne ze wszystkimi globalnymi standardami technicznymi i normami, w tym IEC 60034, NEMA MG1, UL 1004-1, CSA C22.2-100, ABNT 17094-1 oraz GB 12350 (CCC). Już teraz, jak informuje firma, spełniają wymagania przyszłych wytycznych w zakresie oszczędności energetycznej, dotyczących Europy, Indii, Brazylii, USA, Kanady, Chin oraz innych krajów. Silniki mają też możliwość podłączenia opcji dodatkowych, takich jak hamulec BE03 czy wbudowany enkoder EI7C od rozmiaru 63 (instalacja enkodera nie ma wpływu na długość urządzenia). Dostępne są standardowo w stopniu ochrony IP54, natomiast opcjonalnie od IP55 do IP66.
Coraz większym zainteresowaniem cieszą się silniki synchroniczne z magnesami trwałymi. Postęp w technologiach materiałowych, zwłaszcza dotyczących magnesów trwałych, pozwala na konstruowanie silników napędowych o sprawności większej niż energooszczędnych silników indukcyjnych. Oczekuje się też, by wyposażone w nie napędy były przystosowane do zmiennego obciążenia i zachowywały w takich warunkach stałą sprawność. Poszukiwane są też rozwiązania zwiększające niezawodność, np. przez upraszczanie konstrukcji.
W październiku 2017 r. Dolnośląska Fabryka Maszyn Elektrycznych (DFME) otrzymała wyróżnienie Dolnośląskiego Gryfa za skuteczne zrealizowanie innowacyjnego w skali światowej projektu dotyczącego silnika synchronicznego dużej mocy z magnesami trwałymi o rozruchu bezpośrednim. Jak podaje firma, dzięki zastosowaniu silnika uzyskuje się oszczędności, które wynikają ze zmniejszenia zużycia energii elektrycznej (o ok. 20%) oraz ze względu na wyeliminowanie lub ograniczenie konieczności bieżącej obsługi silnika, w tym kosztów części zamiennych. Silnik ma zabezpieczenia przed uszkodzeniem nawet podczas pracy w warunkach wysokiej wilgotności powietrza i wysokiego zapylenia.
W opinii specjalistów jest obecnie wiele zastosowań dla silników synchronicznych z magnesami trwałymi lub generatorów synchronicznych z magnesami trwałymi. Silniki z magnesami trwałymi o rozruchu bezpośrednim typu LSPMSM (Line-Start Permanent Magnet Synchronous Motor) wykonuje np. firma EMIT (Grupa Cantoni). W ofercie ABB znajduje się rodzina silników z magnesami trwałymi, która rozszerza efektywny zakres prędkości dostępny dla przemysłowych napędów na zakres od 100 do 850 obr./min. Pozwala to na eliminowanie urządzeń służących redukcji prędkości obrotowej. Silniki te są przeznaczone do zasilania wyłącznie poprzez przetwornicę częstotliwości i umożliwiają precyzyjne sterowanie prędkością nawet bez użycia urządzeń sprzężenia zwrotnego – zaprojektowane zostały jako konstrukcje synchroniczne, pozbawione poślizgu. Jak podaje producent, konstrukcja nawiązuje do standardowych projektów silników indukcyjnych i np. może zastąpić tradycyjny silnik klatkowy wraz z przetwornicą częstotliwości i przekładnią, silnik niskoprędkościowy, zazwyczaj 10-, 16-biegunowy zasilany przez przetwornicę częstotliwości lub sterowany silnik prądu stałego z przekładnią.
Jeśli chodzi o silniki serwomechanizmowe AC, to w ofercie Siemensa są to np. silniki synchroniczne 1FT6 i 1FK7 z magnesami trwałymi, przeznaczone do współpracy z falownikami. Ich zastosowanie to: roboty, manipulatory, napędy posuwowe precyzyjnych obrabiarek CNC, precyzyjne maszyny produkcyjne itp.
Firma WObit rekomenduje do serwonapędów napędy firmy Kinco, której jest przedstawicielem w Polsce. To bezszczotkowe silniki synchroniczne prądu przemiennego z magnesami trwałymi zamontowanymi na wirniku. Napędy mają wysoką sprawność, która pozostaje stała w dużym zakresie obciążenia i mogą osiągać duże przyspieszenie kątowe wirnika. Jak podaje firma, dla silników z magnesami trwałymi właściwa jest szybka reakcja na polecenia układu sterowania, wynikająca ze stosunkowo małego momentu bezwładności. Firma WObit implementuje te silniki m.in. w modułach liniowych własnej produkcji. Jest to siedem serii silników serwo o rozmiarach kołnierza od 40 do 180 mm. Zakres znamionowego momentu obrotowego wynosi od 0,64 Nm do 28 Nm. Wszystkie mają wbudowany enkoder inkrementalny o rozdzielczości 2500 imp./obr., a dostępna moc silnika, w zależności od serii, wynosi od 200 W do 4,4 kW.
Przemysł 4.0
Koncepcja czwartej rewolucji przemysłowej polega m.in. na połączeniu systemów fizycznych oraz rozwiązań Przemysłowego Internetu Rzeczy (IIoT) w spójny komunikujący się system.
Klienci oczekują od producentów elastyczności, a producenci dążą do jak najlepszego wykorzystania posiadanych zasobów i jak najwyższej wydajności. Podstawą jest pełna automatyzacja na wszystkich etapach produkcji. Ważna jest zarówno łączność maszyny z maszyną, jak i człowieka z maszyną. Proces digitalizacji produkcji musi też objąć wszystkie wykorzystywane układy napędowe.
Możliwą odpowiedzią na takie potrzeby jest wyposażanie silników w sensory przekazujące informacje do nadrzędnych inteligentnych systemów. Przykładem takiego rozwiązania jest ABB Ability™ Smart Sensor. Czujnik montowany jest na kadłubie silnika indukcyjnego niskiego napięcia bez potrzeby okablowania czy wprowadzania zmian mechanicznych. Przesyła dane bezprzewodowo do serwera w chmurze obliczeniowej. Zwrotnie użytkownik otrzymuje, np. poprzez aplikację zainstalowaną w smartfonie, informacje o pracy i stanie silnika. Czujnik wykonuje pomiary drgań, temperatury oraz innych parametrów. Dzięki wykorzystaniu bazy wiedzy zgromadzonej w systemie można wyeliminować nieplanowane przestoje, identyfikować elementy systemu o niskiej efektywności i wydłużyć żywotność silników.
W informacji przygotowanej przez firmę Bosch Rexroth zwraca się uwagę, że systemy automatyki i obsługi muszą stawać się coraz bardziej elastyczne – aż do poziomu napędu. Dlatego firma poszerza możliwości komunikacji napędów IndraDrive z kolejnymi interfejsami czasu rzeczywistego i enkodera. Technologia Open Core Interface for Drives oferuje obecnie więcej możliwości integracji napędów w ramach automatyzacji infrastruktury IT. Jak podano, koncepcje Przemysłu 4.0 zakładają decentralizację analizy danych oraz wysoki stopień łączności elementów procesu automatyzacji we wszystkich kierunkach. Dlatego napędy IndraDrive komunikują się z każdym środowiskiem.
Nowością jest integracja cyfrowego interfejsu ACURO®link oraz interfejsu BiSS. Otwartość protokołu Acuro-Link oraz łatwość integracji to kluczowe zalety tego rozwiązania wpisujące się w koncepcję technologii jednoprzewodowej, dzięki którym zmniejsza się liczba przewodów, zapotrzebowanie przestrzeni oraz masa wyposażenia w maszynie.
Warto zaznaczyć, że standard BiSS to rozwiązanie typu open source, zaprojektowane pod kątem zwiększenia dynamiki. Znajduje on zastosowanie w sektorze wysokich technologii, takich jak symulacja lotu, w przemyśle półprzewodników, w systemach montażu precyzyjnego w branży mikroelektronicznej, a także w inżynierii medycznej. Napędy IndraDrive komunikują się również między sobą – umożliwia to system logiki ruchu IndraMotion MLD.
Podsumowanie
Przemysł na całym świecie wchodzi na kolejny poziom rozwoju, w którym wszędzie tam, gdzie aplikacja ma dostęp do sieci Internet, pozwala użytkownikom monitorować i zdalnie sterować zadaniami, począwszy od pojedynczej instalacji do całej floty maszyn. Obserwowany jest stały postęp w konstrukcjach napędów, np. w maju 2017 r. poinformowano, że firma Yaskawa Electric opracowała pierwszy na świecie silnik serwo z wbudowanym wzmacniaczem, który jest wyposażony w półprzewodniki mocy GaN, jako najnowszy dodatek do serwonapędów AC jej serii Σ (Sigma) -7. Następuje też szybki rozwój technologii IIoT i jej praktyczne zastosowanie w zakładach produkcyjnych.
Z drugiej strony nadal w wielu zakładach przemysłowych wykorzystywanych jest wiele starszych napędów i silników. Użytkownicy muszą odpowiedzieć sobie na pytanie, czy je modernizować, remontować lub wymieniać. W przygotowanym w ramach programu PEMP (Polski Program Efektywnego Wykorzystania Energii w Napędach Elektrycznych) opracowaniu „Remontować czy wymieniać silniki elektryczne dużej mocy” stwierdzono, że w wyniku remontu (wymiany uzwojeń) współczynnik sprawności silnika w zależności od technologii remontu ulega zwykle obniżeniu od 1% do 3%, a w silnikach wielokrotnie remontowanych może nawet dochodzić do 5%. Z tego wynika, że eksploatacja silników o średniej i dużej mocy, starszych niż 20-letnie lub remontowanych więcej niż dwa razy, jest nieefektywna ekonomicznie. Obecnie, przy stale rosnących kosztach energii, postępie technologicznym i rozwijającej się koncepcji Przemysłu 4.0 tym bardziej warto stawiać na nowoczesne i energooszczędne rozwiązania.
Bohdan Szafrański jest od początku lat 90. związany z branżą informatyczną. Ukończył studia podyplomowe z zakresu informatyki i telekomunikacji na Politechnice Warszawskiej. Zajmował się zagadnieniami normalizacyjnymi w Polskim Komitecie Normalizacyjnym. Publicysta, dziennikarz. Obecnie publikuje m.in. w prasie specjalistycznej skierowanej do odbiorców z branży automatyki przemysłowej.
