Dzięki specjalnej konstrukcji i zastosowaniu podzespołów o odpowiedniej jakości nowoczesne silniki znacznie różnią się od tych, które były oferowane na rynku jeszcze kilka lat temu. Przede wszystkim silniki energooszczędne cechuje wysoki poziom sprawności oraz cicha praca. Na uwagę zasługują również lepsze właściwości w zakresie trwałego obciążania mocą wyższą od znamionowej.
Nie ma wątpliwości co do tego, że poprawa sprawności energetycznej silników elektrycznych uzyskiwana jest dzięki rozwiązaniom zapewniającym ograniczenie strat energii zamienianej na ciepło. Rodzajów strat, jakie mogą wystąpić w silnikach elektrycznych, jest wiele. Są nimi bowiem straty mechaniczne w postaci tarć oraz straty występujące w uzwojeniu, czyli w miedzi. Nie bez znaczenia są również straty występujące w rdzeniu (stali) oraz wszelkie straty dodatkowe.
Silniki uznawane za energooszczędne cechuje przynajmniej kilka zalet. Przede wszystkim ograniczane są straty w miedzi i rdzeniu, co pozwala na zmniejszenie średnicy wentylatora oraz obniżenie strat mocy na przewietrzanie silnika. Niejednokrotnie zastosowanie znajduje blacha elektrotechniczna o mniejszej stratności i grubości. Tym sposobem zapewnia się wydłużenie obudowy silnika przy niezmienionych wymiarach montażowych. Na uwagę zasługuje zwiększenie ilości miedzi w stojanie i aluminium w wirniku w celu zmniejszenia strat czynnych w uzwojeniach. Nie mniej ważne jest powiększenie przekroju żłobków w stojanach celem umieszczenia większej ilości miedzi. Na energooszczędność wpływa również poprawa kształtu zębów dla obniżenia strat dodatkowych.
Klasyfikacja
Przepisy prawa precyzują podział klas sprawności silników elektrycznych. W lipcu 2009 roku Komisja Europejska przyjęła rozporządzenie nr 640/2009 w sprawie wdrażania dyrektywy 2005/32/WE Parlamentu Europejskiego i Rady dotyczącej wymogów ekoprojektu dla silników elektrycznych. Tym sposobem na terenie Unii Europejskiej wprowadzone zostały usankcjonowane prawnie wymogi dotyczące efektywności energetycznej 3-fazowych silników asynchronicznych 2-, 4- i 6-biegunowych. Zarówno klasyfikację, jak i oznakowanie IE wprowadza norma z serii IEC 60034-30 „Rotating electrical machines – Part 30: Efficiency classes of single-speed, three-phase, cage-induction motors (IE-code)” z 2008 r. Ten sposób klasyfikacji obowiązuje dla silników 2-, 4- i 6-biegunowych o mocach od 0,75 do 375 kW i napięciu znamionowym do 1000 V. W świetle przepisów wyróżnia się trzy poziomy sprawności dla silników. Silniki standardowe (standard) określa się jako IE1. Z kolei napędy elektryczne o podwyższonej sprawności (high efficiency) to IE2. Najwyższym poziomem sprawności (premium) określa się silniki oznaczane jako IE3. Zgodnie z przepisami prawa od 16 czerwca 2011 r. silniki o mocy znamionowej w zakresie 0,75375 kW muszą odpowiadać co najmniej klasie sprawności IE2. Z kolei od 1 stycznia 2015 r. silniki o mocy znamionowej w zakresie 7,5375 kW muszą odpowiadać co najmniej klasie sprawności IE3 lub klasie sprawności IE2 przy założeniu zastosowania w układzie napędowym o regulowanej prędkości obrotowej. Zwraca się przy tym uwagę, że od 1 stycznia 2017 r. wszystkie silniki o mocy znamionowej w zakresie 0,75375 kW muszą odpowiadać co najmniej klasie sprawności IE3 lub klasie sprawności IE2 przy założeniu zastosowania w układzie napędowym o regulowanej prędkości obrotowej.
EC
Mówiąc o energooszczędnych napędach elektrycznych, warto wspomnieć o silnikach EC. Są to silniki synchroniczne z wirnikiem w postaci magnesu trwałego, który umieszczony jest w wirującej obudowie obejmującej zespół cewek. Celem uzyskania wirowania silnika z określoną prędkością istotną rolę odgrywa elektroniczny układ komutujący przełączający w odpowiedni sposób prąd płynący w cewkach stojana tak, aby we wnętrzu wirnika powstało wirujące pole magnetyczne oddziałujące na pole magnesów. Bieżący kąt obrotu wału kontroluje czujnik, z którego sygnał przekazywany jest do układu sterującego. Układ ten działa niemal identycznie jak falownik. Regulowany jest bowiem prąd cewek uzwojeń stojana.
Zwraca się uwagę na przynajmniej kilka zalet silników komutowanych elektronicznie. Przede wszystkim istotne jest wewnętrzne zabezpieczenie termiczne silnika, które podnosi jego trwałość i niezawodność. Nie mniej ważny pozostaje przy tym elektroniczny system sterowania zawierający regulator. W kontekście energooszczędności warto podkreślić wysoką sprawność silnika. Jest ona wyższa w porównaniu z silnikami z regulowanym napięciem oraz silników zasilanych falownikami. Istotna pozostaje możliwość pracy z bardzo niskimi obrotami. Bez wątpienia zaletą jest przy tym trwałość i niezawodność wynikająca ze zintegrowania układu regulatora i silnika. Podkreśla się, że silniki tego typu nie wymagają stosowania przewodów ekranowanych.
Co na rynku
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 produkowane są 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 też 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 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 – 400 V lub 440/460 V.
Z oferty firmy EMIT w zakresie silników energooszczędnych wybrać można modele SIE315÷355 (do 375 kW zgodne z normą IEC60034-30 i dyrektywą UE 640/2009) oraz Sh355÷500..s (do 1500 kW) zgodnie z normami IEC/EN. Silniki serii SIE i Sh..s mają zastosowanie ogólnoprzemysłowe. Są używane do napędu różnych maszyn i urządzeń, 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, przez co 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.
Decydując się na zastosowanie silników energooszczędnych zazwyczaj bierze się pod uwagę względy ekonomiczne. Zatem warto wspomnieć, że silnik energooszczędny przyniesie oszczędności szczególnie wtedy, gdy montowana jest nowa instalacja elektryczna o długim okresie trwałości. Montaż silników energooszczędnych warto uwzględnić w przypadku, gdy przeprowadzane są modyfikacje w określonych warunkach pracy lub danym procesie technologicznym. Bardzo często silnikami energooszczędnymi zastępuje się napędy elektryczne przewymiarowane lub niedociążone. Silnik energooszczędny warto zastosować wtedy, gdy wdrażany jest kompleksowy program oszczędności energii w fabryce.
Jak każdą inwestycję tak i elektryczne napędy energooszczędne cechuje określony czas zwrotu nakładów inwestycyjnych. W dużej mierze zależy on od różnicy cen silnika energooszczędnego i standardowego, ceny energii elektrycznej oraz różnicy sprawności przy różnych obciążeniach silnika standardowego i energooszczędnego. Nie mniej ważny jest przy tym stopień obciążenia silnika oraz czas pracy obliczany w ciągu roku.
UR
Autor: Damian Żabicki
