Wybór odpowiedniego silnika elektrycznego daje gwarancję ciągłości i bezpieczeństwa procesów produkcyjnych, jednak powinien być także podyktowany względami środowiskowymi, określającymi nowe standardy efektywności energetycznej.
Zgodnie z literaturą przedmiotu silniki elektryczne to maszyny, w których energia elektryczna zamieniana jest na energię mechaniczną. Biorąc pod uwagę sposób zasilania, silniki dzielą się na maszyny zasilane napięciem stałym lub przemiennym. Urządzenia zasilane napięciem stałym to maszyny elektryczne: obcowzbudne, z magnesami trwałymi oraz bocznikowe i szeregowe. Z kolei silniki zasilane napięciem przemiennym to modele jednofazowe (klatkowe, szeregowe) oraz trójfazowe (klatkowe, liniowe, pierścieniowe). Dostępne są również silniki zasilane dwustronnie, czyli synchroniczne i asynchroniczne-synchronizowane.
Silniki elektryczne stosowane w zakładach przemysłowych
Większość silników elektrycznych, które znajdują zastosowanie w fabrykach, zasila się prądem przemiennym. Jako czołowych producentów silników tego typu wymienia się firmy: ABB, Siemens, Emit, Vem oraz Weg. Oprócz tego używane są silniki firm Besel, Celma, SEW-Eurodrive, Lenze, Chiaravalli oraz produkty koncernu Cantoni Group. Z kolei silniki prądu stałego dla fabryk produkuje: Inducta, Tamel, Grundfos, Wobit, Bessel, a także Siemens i Nuova Sme.
Mówiąc o typach silników, jakie są używane w zakładach przemysłowych, należy wspomnieć o dużej popularności silników szeregowych (producent: Siemens), obcowzbudnych (producenci: ABB, Siemens) oraz bocznikowych (producenci: ABB, Siemens) i szeregowo-bocznikowych (producenci: ABB, Celma).
Najczęściej instalowane są silniki trójfazowe o mocy od 0,1 do 450 kW. Z kolei silniki dwufazowe osiągają moc do 2,5 kW. Nieco rzadziej znajdują zastosowanie silniki zasilane dwustronnie o mocy do 7,5 kW.
Silniki asynchroniczne, które są stosowane w fabrykach, to w większości napędy klatkowe produkowane przez firmy: Siemens, Tamel, Besel, Celma, Emit, Vem, Weg, a także SEW-Eurodrive. Z kolei silniki pierścieniowe używane w fabrykach produkuje ABB, Celma, Siemens i Schorch.
Większość fabryk używa silników krokowych m.in. firm: Control Technique oraz Marel. Nieco rzadziej używane są silniki liniowe.
Właściwy wybór silnika
Na etapie wyboru silników elektrycznych zwraca się uwagę przede wszystkim na niezawodność i trwałość napędu. W następnej kolejności ważna jest cena zakupu, sprawność energetyczna napędu, prosta obsługa, a także wsparcie techniczne ze strony dostawcy/producenta. Dla użytkowników silników elektrycznych kluczową rolę odgrywają koszty eksploatacji, jakość oprogramowania przeznaczonego do konfiguracji lub sterowania sprzętem, a także stabilność prędkości obrotowej. Przedstawiciele fabryk oczekują możliwości regulacji prędkości obrotowej w dużym zakresie, autokalibracji parametrów oraz szybkiej i odpowiedniej reakcji napędu na zmianę momentu obciążenia. Ważne są zaawansowane funkcje związane z zatrzymaniem napędu oraz wpływ oddziaływania na sieć elektroenergetyczną w kontekście zachowania energii o odpowiedniej jakości.
Plany zakupowe
Firmy, które w 2015 r. planują kupić napędy elektryczne, swoją decyzję argumentują korzystaniem z przestarzałych już modeli, które są przystosowane jeszcze do napięcia 380 V oraz brakiem wsparcia technicznego. Niejednokrotnie silniki nie nadają się do dalszej eksploatacji lub konieczne są zmiany ich mocy, stąd też potrzeba ich wymiany. Silniki zużywają się w trakcie eksploatacji lub jest konieczna ich rozbudowa układów napędowych i modernizacja. Wymiana silnika elektrycznego niejednokrotnie argumentowana jest potrzebą wyeliminowania jego negatywnego wpływu na sieć elektroenergetyczną i tym samym obniżenie jakości energii w systemie zasilającym.
Wiedza doradców
Poziom wsparcia ze strony producentów i dostawców silników w większości wypadków jest oceniany przez ankietowanych na średnim poziomie. Zwraca się bowiem uwagę na wycofanie niektórych modeli silników ze względów ekologicznych, jednak bardzo często brakuje odpowiednich zamienników. Są przypadki dostaw, w których zamówienia są błędnie realizowane. Nie brakuje również problemów z dokumentacją, a obszerna wiedza, w opinii przedstawicieli fabryk, powinna znajdować się w głowach doradców technicznych, a nie w katalogach produktowych.
Oczekiwania użytkowników
Przedstawiciele fabryk i zakładów przemysłowych precyzują oczekiwania względem dostawców silników elektrycznych. I tak też dla użytkowników napędów ważne jest szybkie rozwiązywanie ewentualnych problemów. Serwis powinien świadczyć usługi o najwyższym poziomie jakości, a dostawy muszą być natychmiast realizowane, zwłaszcza w sytuacjach awaryjnych. Ważne jest, aby oferta była dostosowana do potrzeb klienta, z szybką i sprawną dostawą poszukiwanego silnika lub zamiennika, w tym energooszczędnego.
Określone oczekiwania mają też projektanci, którzy w swoich aplikacjach uwzględniają silniki elektryczne. Wskazują na potrzebę doradztwa dotyczącego doboru silnika i ciekawych aplikacji. Niejednokrotnie ważne są odpowiednio dopasowane układy sterowania przekaźnikowo-stycznikowe, możliwość zastosowania falowników lub sterowników PLC.
Nowatorskie rozwiązania
Z oferty firmy ABB na uwagę zasługuje możliwość sterowania różnymi typami silników elektrycznych prądu przemiennego za pomocą tego samego przemiennika częstotliwości. Przykładowo nowa seria przemienników ACS880 umożliwia pracę ze zwykłymi silnikami indukcyjnymi, używanymi do typowych aplikacji, z silnikami z magnesami trwałymi do aplikacji, gdzie wymagana jest duża precyzja sterowania oraz z synchronicznymi silnikami reluktancyjnymi (SynRM) dla uzyskania najwyższej możliwej sprawności.
Na uwagę zasługuje ten ostatni typ silników. Oferowane w pakietach z seriami przemienników ACS880 synchroniczne silniki reluktancyjne, oparte są na takim samym stojanie jak w silnikach indukcyjnych, ale wyposażonym w nowy wirnik o innowacyjnej budowie. Wirnik ten charakteryzuje się niską temperaturą pracy i nie powoduje nadmiernego nagrzewania się łożysk. Przyrost temperatury silnika SynRM IE4 klasyfikuje się znacznie poniżej klasy B. We wszystkich aplikacjach, gdzie wymagana jest regulacja prędkości, zastosowanie takiego pakietu umożliwia zwiększenie sprawności całego układu napędowego nawet do 5% w porównaniu z napędem z silnikiem klasy IE2 – całość odpowiada klasie IE4.
Jednym z nowatorskich rozwiązań firmy Bosch Rexroth jest system napędowy IndraDrive Mi V2, w którym wszystkie komponenty, łącznie z modułami zasilającymi i sieciowymi, przeniesiono z szafy sterowniczej bezpośrednio do maszyny. Umożliwia to znaczną oszczędność miejsca i okablowania (nawet o 90%) oraz zoptymalizowanie zużycia energii. Zapotrzebowanie na chłodzenie szafy sterowniczej spada nawet o 100%. Komponenty automatyki uzupełniają: interfejs komunikacyjny Multi-Ethernet, dzięki któremu można korzystać ze znanych interfejsów komunikacyjnych, takich jak: SERCOS III, PROFINET IO, EtherNet/IP i EtherCat. Napędy mają również zintegrowaną logikę ruchu i certyfikowaną funkcjonalność SafeMotion.
Warto zwrócić uwagę na przetwornice częstotliwości Danfoss, które dotychczas oferowały algorytmy sterowania zapewniające wysoką sprawność standardowych silników indukcyjnych i silników z magnesami trwałymi (PM). Obecnie, począwszy od VLT® AutomationDrive FC 302, przetwornice obsługują również synchroniczne silniki reluktancyjne. Ponadto przetwornica częstotliwości VLT® sprawia, że ustawienie programu, dopasowanie algorytmu pracy i uruchomienie takiego silnika przy wdrożeniu do eksploatacji jest tak proste, jak standardowego silnika indukcyjnego.
Firma Demero z kolei oferuje zasilanie serwosilnika w systemie jednokablowym. Oprócz tego warto zwrócić uwagę na system zasilania rozproszonego, gdzie w szafie znajduje się zasilacz AKD-C, który jednym kablem zasila kilka serwonapędów AKD-N, umieszczonych w różnych częściach maszyny.
Zazwyczaj z falownikiem
Nowoczesne silniki nie obejdą się bez sterowania za pomocą przemienników częstotliwości. Na etapie wyboru przemiennika należy uwzględnić wiele czynników, również tych związanych z warunkami pracy. Jak wiadomo, dobór odpowiedniego przemiennika częstotliwości do pracy w trudnych warunkach środowiskowych wymaga dokładnej analizy wielu czynników, które mogą zaważyć na jego poprawnej pracy w aplikacji, o czasie eksploatacji i częstotliwości przeprowadzania prac konserwacyjnych.
Przede wszystkim należy określić, jakie warunki środowiskowe panują w miejscu planowanego zainstalowania i pracy przemiennika. Do najważniejszych czynników należą: stopień zapylenia w powietrzu, temperatura powietrza, a także jego wilgotność. Przemienniki częstotliwości występują w wielu wykonaniach konstrukcyjnych, w obudowach o różnym stopniu ochrony (typowo od IP20 nawet do IP66). Im wyższy stopień ochrony obudowy przemiennika, tym większa jego odporność na takie czynniki zewnętrzne, jak np. wysoki poziom zapylenia powietrza przy dużej wilgotności. Jak podkreślają Bartłomiej Orzechowski i Aleksander Nowak z firmy ABB, dodatkowo do pracy w ciężkich warunkach środowiskowych zalecany jest wybór urządzenia, którego elementy elektroniczne są zabezpieczone przez lakierowanie lub powlekanie. Często przemienniki częstotliwości są narażone na działanie wysokich temperatur otoczenia, szczególnie gdy w jednym pomieszczeniu oprócz przemiennika (lub przemienników) zainstalowane są inne urządzenia generujące znaczą ilość ciepła. W takim przypadku należy pamiętać o konieczności zapewnienia odpowiedniej temperatury powietrza chłodzącego przemiennik(i). Większość urządzeń tego typu jest w stanie napędzać silnik z mocą znamionową przy temperaturze wynoszącej nie więcej niż 40°C. Jeżeli jest ryzyko wystąpienia wyższej temperatury otoczenia, należy wziąć pod uwagę odpowiednie przewymiarowanie przemiennika częstotliwości lub zastosowanie chłodzenia w pomieszczeniu za pomocą klimatyzatora.
Silniki do trudnych warunków eksploatacyjnych
Ankietowani czytelnicy podają, że napędy przeznaczone do trudnych warunków eksploatacyjnych są nieodzownym elementem systemów wentylacyjnych oraz maszyn i urządzeń, a w szczególności pomp narażonych na działanie wilgoci i środków chemicznych. Nie bez znaczenia pozostają również specjalne silniki uwzględniane w przenośnikach taśmowych oraz układach przeniesienia napędu. Zwraca się uwagę na odpowiedni dobór napędów do systemów transportowych, takich jak wózki czy podajniki i transportery. Specjalnych napędów wymagają instalacje odpylania, a także windy i podnośniki. Odpowiednie silniki stosuje się w maszynach uwzględnianych w procesach walcowania i wiercenia. Specjalizowane napędy to również domena aplikacji różnorodnych sprężarek.
Przy wyborze silników bardzo często zwraca się uwagę na oszczędność energii. Na przykład firma Cantoni oferuje wysoko sprawne silniki Sh. Są to trójfazowe silniki klatkowe wysokiego napięcia w kadłubach użebrowanych żeliwnych o bardzo wysokim współczynniku sprawności energetycznej. Sztywna, a zarazem zwarta konstrukcja zapewnia bardzo niski poziom drgań i niski poziom hałasu. Silniki tego typu montuje się w napędach różnego rodzaju maszyn i urządzeń pracujących w ruchu ciągłym. Oferta obejmuje silniki o rozmiarach od 355 do 560 mm w zakresie mocy od 160 do 1800 kW.
W opinii Pawła Orzecha, inżyniera ds. techniczno-handlowych firmy Bosch Rexroth, dobór napędów do pracy w trudnych warunkach determinuje środowisko, w jakim będą one pracowały. W przypadku różnego rodzaju zanieczyszczeń, czy też dużej wilgotności ważne jest, aby stopień ochrony silników był wystarczająco wysoki. Standardem w takich aplikacjach są silniki ze stopniem ochrony IP65 czy IP67. Jeśli mamy do czynienia z branżą spożywczą, często silniki mają styczność z różnego rodzaju detergentami czyszczącymi, które mogą je uszkodzić. Dlatego wtedy stosowane są specjalne silniki pokryte farbą spełniającą wymagania określonych norm, dzięki czemu są one odporne na działanie tych detergentów. W przypadku silników Bosch Rexroth są to silniki MSK w specjalnym wykonaniu – C1. Zdarzają się również aplikacje, w których mogą występować mieszanki wybuchowe powietrza i łatwopalnych gazów, oparów, mgieł czy pyłu (przemysł chemiczny, górnictwo, drukarnie, obróbka drewna, urządzenia lakiernicze, młyny, rafinerie, duże instalacje zbiornikowe i wiele innych). Specjalnie do tych celów został zaprojektowany typoszereg silników Bosch Rexroth – MKE. Silniki te są w obudowie przeciwwybuchowej, mają certyfikat ATEX i/lub są zgodne z wymaganiami UL/CSA.
– Na etapie wyboru należy kierować się trwałością maszyny. Jeżeli zastosujemy silniki ze stali nierdzewnej, to trwałość takiej maszyny będzie kilkakrotnie większa niż tradycyjnych serwosilników – twierdzi Daniel Stępień z firmy Demero.
Rynek silników elektrycznych
Rynek napędów elektrycznych jest jednym z najbardziej dynamicznie się rozwijających. Dotyczy to obecnie w szczególności sektora serwonapędów. Polscy konstruktorzy coraz częściej zastępują napędy falownikowe czy krokowe serwonapędami. Paweł Orzech podkreśla, że klienci typu OEM szukają rozwiązań, dzięki którym będą mogli zapewnić jak najwyższą wydajność, dynamikę oraz elastyczność produkowanych maszyn. Szuka się nowych rozwiązań, wyróżniających spośród dużej konkurencji, a to wymusza na producentach konieczność stałego rozwoju przy jednoczesnym utrzymaniu konkurencyjnej ceny.
Z kolei w opinii Daniela Stępnia rynek stale się rozwija, pojawiają się nowatorskie rozwiązania, które na pewien czas przynoszą jakiemuś producentowi przewagę. Pojawiają się także nowi producenci, którzy gonią tych największych graczy.
Silniki elektryczne energooszczędne
Firma Siemens Drive Technologies oferuje synchroniczne silniki prądu zmiennego 1LE1 o klasie sprawności High Efficiency (IE2) i Premium Efficiency (IE3). Występują one w wersjach General Purpose i Severe Duty. Wersje General Purpose są produkowane w obudowach aluminiowych o wzniosie wału od 80 do 160 mm, mocy znamionowej od 550 W do 22 kW i prędkości obrotowej od 750 do 3600 obr./min. Urządzenia występują w wersji 2-, 4-, 6- i 8-biegunowej i znajdują zastosowanie głównie w pompach, wentylatorach czy kompresorach. Wersje Severe Duty są produkowane w obudowach żeliwnych o wzniosie wału od 100 do 315 mm oraz o mocy znamionowej od 2,2 kW do 375 kW. Silniki IE3 charakteryzują się kompaktową konstrukcją wynikającą z usprawnionej technologii produkcji rotora. Oferuje się je w wersjach o tym samym wzniosie wału co silniki IE2, pozwalając na wykorzystanie jednolitego interfejsu mechanicznego.
Z kolei firma ABB oferuje silniki aluminiowe w klasie sprawności IE3, zaprojektowane z myślą o wymagających warunkach pracy. Zakres ich mocy mieści się pomiędzy 0,75 a 55 kW przy wzniosie wału od 80 do 250. W zależności od modelu liczba biegunów wynosi od 2 do 6. Zakres napięć to 400 V lub 440/460 V.
Z oferty firmy EMIT w zakresie silników energooszczędnych można wybrać modele SIE315÷355 (do 375 kW zgodne z normą IEC60034-30 i dyrektywą UE 640/2009 w odniesieniu do wymogów dotyczących ekoprojektu dla silników elektrycznych) oraz Sh355÷500..s (do 1500 kW) zgodnie z normami IEC/EN. Silniki serii „SIE” i „Sh..s” mają zastosowanie ogólnoprzemysłowe. Są stosowane w różnych maszynach i urządzeniach, których praca ma charakter ciągły, bez częstych rozruchów i nawrotów. Ze względu na stopień ochrony mogą pracować w warunkach, gdzie otaczające powietrze zawiera zanieczyszczenia. Zapylenie otoczenia nie powinno być większe od 10 mg/m3. Nie mogą to być jednak zanieczyszczenia agresywne, takie jak opary kwasów i ługów. Atmosfera nie może również zawierać mieszanek wybuchowych. Przy pracy na wolnym powietrzu zaleca się stosować zadaszenie zabezpieczające przed bezpośrednim działaniem opadów deszczu lub śniegu oraz promieni słonecznych.
W silnikach elektrycznych z oferty firmy Nord jako materiał klatki wirnika zastosowano miedź zamiast aluminium, dzięki czemu straty w wirniku są znacznie obniżone. Poślizg pod obciążeniem proporcjonalny do strat wirnika jest znacznie mniejszy. Krzywa momentu obrotowego w przedziale pracy ma przebieg bardziej stromy. Moment krytyczny jest osiągnięty przy niższym poślizgu. Z kolei moment rozruchowy, proporcjonalny do strat wirnika – odpowiednio ograniczono.
Raport powstał na podstawie danych uzyskanych dzięki ankiecie przeprowadzonej wśród czytelników czasopisma Inżynieria i Utrzymanie Ruchu Zakładów Przemysłowych. Raport nie jest pełnym obrazem rynku.
Autor: Damian Żabicki – dziennikarz, redaktor, autor tekstów, specjalizujący się w tematyce technicznej i przemysłowej. Specjalista public relations firm z branży technicznej.