Udostępnij Udostępnij Udostępnij Udostępnij Print

Nowe technologie sukcesywnie podnoszą sprawność napędów mechanicznych

-- piątek, 12 maj 2017

Wzrost sprawności silników elektrycznych staje się faktem. Nowe rozwiązania konstrukcyjne i użycie innowacyjnych materiałów magnetycznych przyczyniają się do powstawania coraz bardziej zaawansowanych technologicznie modeli o wysokiej sprawności.

W ciągu ostatnich dwudziestu lat aplikacje trójfazowego, klatkowego silnika asynchronicznego (lub indukcyjnego) przyczyniły się do znacznej poprawy sprawności energetycznej bazujących na nich napędów. Wzrost sprawności możliwy był dzięki ulepszonej konstrukcji – użyciu większej ilości elektroaktywnych materiałów oraz ulepszeniom w konstrukcji obwodów silnika, a także dzięki stosowaniu standaryzowanych testów i wprowadzeniu przepisów dotyczących minimum osiąganej sprawności energetycznej (MEPS).

Nieprzypadkowo silniki indukcyjne prądu zmiennego są obiektem prowadzonych na całym świecie badań dotyczących podnoszenia sprawności napędów – wykorzystuje się je bowiem w bardzo wielu urządzeniach. Relatywnie prosta konstrukcja, niski koszt produkcji oraz ogromna popularność sprawiły, że stały się koniem pociągowym przemysłu. Pamiętajmy, że globalne zapotrzebowanie napędów elektrycznych na energię stanowi 46% jej światowej produkcji. Sprawność silnika elektrycznego zwięźle opisuje przydział do klasy IE (International Efficiency), zdefiniowanej przez standardy Międzynarodowej Komisji Elektrotechnicznej (IEC). Określają one klasy zapotrzebowania na energię od IE1 (standard) do IE4 (super premium), wraz z rozróżnieniem nominalnej sprawności dla silników o mocy od 0,12 do 1000 kW. Przewidziano również istnienie dodatkowej klasy IE5 (ultrapremium), ale jej wymagania nie zostały jeszcze na stałe zdefiniowane – na razie zakłada się redukcję strat w silniku tego typu na poziomie 20% względem klasy IE4.

Jak dotąd standardy MEPS zostały wprowadzone tylko w niektórych państwach, w dodatku jedynie do klasy IE3. W Stanach Zjednoczonych od jakiegoś czasu również obowiązują przepisy określające minimalną sprawność nowo instalowanych silników – muszą one spełniać normy klasy IE3. Przepisy przyjęte w USA obejmują wszystkie kategorie wielofazowych modeli pracujących pod ciągłym obciążeniem o mocy od 1 do 500 KM (0,75375 kW). Wiele innych państw wzoruje się na poczynaniach Amerykanów lub zmierza w kierunku wprowadzenia standardów MEPS. 1 stycznia 2015 r. Unia Europejska wprowadziła drugi z trójetapowego systemu wdrażania norm IE3, jednak do roku 2017 nie wszystkie silniki zostały objęte nowymi przepisami.

Warto zauważyć, że wraz z wprowadzeniem w większej liczbie krajów nakazu stosowania silników IE3 modele o niższej sprawności nie będą już mogły być legalnie oferowane na rynku. Dlatego zmiana ta musi następować powoli. Starsze silniki, o mniejszej sprawności, wciąż są powszechnie dostępne w wielu miejscach świata. Producenci silników przygotowali się co prawda na wymagania standardów energetycznych i współczesne modele maszyn indukcyjnych są w stanie spełnić założenia norm do klasy IE4, jednak standardy IEC mogą się okazać za trudne w przypadku mniejszych silników. Jednym z ciekawszych usprawnień, mającym na celu sprostanie normom IEC, jest stosowanie odlewanego, miedzianego wirnika, używanego m.in. w niektórych modelach silników firm SEW Eurodrive i Siemens. Różne sposoby poprawy sprawności dla spełnienia wymogów klasy IE4 podnoszą również koszt tych urządzeń.

Modele indukcyjne klasy IE4 oferują bardzo wysoką sprawność, zwłaszcza w przypadku jednostek o dużych gabarytach. Wciąż jednak producenci i ludzie odpowiedzialni za rozwój technologii silników elektrycznych starają się uzyskać ich większą sprawność, nawet w obliczu malejącego zwrotu z inwestycji.

W tym miejscu warto wspomnieć o konstrukcjach innego typu niż tradycyjny silnik indukcyjny. Najważniejsze z alternatywnych konstrukcji to silnik reluktancyjny (SynR) i modele zawierające magnesy trwałe. Konstrukcje te, wciąż udoskonalane, nie są technologiami nowymi, a rozwijanymi od lat koncepcjami – za większością z nich stoi już jakaś konkretna historia. Dąży się w nich do wyeliminowania znacznych strat ciepła, występujących w przypadku silników indukcyjnych. Zamiast tego rozwiązanie SynR zawiera wirnik z wieloma biegunami wydatnymi, zastosowanymi w celu optymalizacji kierunku strumienia magnetycznego. Pozwala on również na generowanie zmiennej reluktancji podczas obrotu wirnika. Natomiast, jak sugeruje nazwa, wirnik silnika typu PM (Pernament Magnet) zawiera magnesy stałe – zarówno na zewnątrz, jak i wewnątrz silnika. Oba te rozwiązania cechuje budowa stojana podobna do silnika indukcyjnego.

Kolejną cechą alternatywnych konstrukcji jest to, że nie mogą zostać uruchomione bezpośrednio ze źródła napięcia. Wymagają więc elektronicznego sterowania (istnieje wprawdzie rozwiązanie hybrydowe, pozwalające na start bezpośredni ze źródła zasilania silnika typu PM, ale nie zajmujemy się nim w tym artykule). Powoduje to nieznaczną utratę wydajności w przypadku silników SynR i PM oraz systemów napędowych, w porównaniu z silnikiem indukcyjnym, mogącym pracować tylko dzięki podłączeniu do zasilania głównego. Podobny współczynnik sprawności napędów dotyczy również rosnącej liczby silników indukcyjnych, współpracujących z napędami o zmiennej prędkości.

By zapewnić wysokie parametry pracy, konstruktorzy silników spełniających wymogi klasy IE5 używają magnesów ferrytowych. Przeżywają one ponowny rozwój, by stać się konkurencją dla mocniejszych, ale droższych magnesów zawierających metale ziem rzadkich.

– W Japonii, USA, Europie i prawdopodobnie również w Chinach trwają badania mające na celu zbudowanie silników klasy IE5 lub wyższej – twierdzi John Petro, konsultant w kalifornijskiej firmie JPEAM LLC. – Modele powyżej klasy IE5 znajdują się w tej fazie rozwoju, w której najważniejszym celem jest redukcja kosztów produkcji. Zdefiniowanie klas IE6, IE7 i IE8 pozwoli czołowym producentom na ustanowienie celu dla swojej drogi i rozszerzenie oferty na rynku.

Na rys. 1 przedstawiono kolejne klasy IE. Warto zauważyć, że oczekiwane 20-procentowe ograniczenie strat, przypadające na każdą z klas powyżej IE5, wymaga sumarycznego ograniczenia strat aż o 49%. Jest to dość ambitna prognoza, ale również szczytny cel.


Przeczytaj także

Wywiad: Fabryka Toyoty w Jelczu-Laskowicach
Fabryka Toyoty w Jelczu-Laskowicach Zakład nominowany w konkursie Fabryka Roku 2017 Fabryka Toyoty w Jelczu-Laskowicach to nowoczesny zakład produkujący silniki spełniające najbardziej... więcej »
Szczupła produkcja i automatyzacja
We współczesnym świecie i na zglobalizowanym rynku producenci muszą wykorzystać każdy sposób na zwiększenie produktywności, zmniejszenie kosztów, eliminację strat oraz poprawę jakości produktu.... więcej »
Zaawansowane technicznie czujniki i oprogramowanie stymulują wzrost popularności urządzeń do noszenia w sektorze przemysłowym
Urządzenia te podnoszą poziom wydajności i wiedzy swoich użytkowników, zapewniają im nieograniczony dostęp do danych oraz łączą poszczególne ogniwa systemu sieciowego - zespół TechVision w firmie... więcej »
Wykorzystanie technologii IIoT 
z perspektywy przetwarzania sygnałów
Jak poradzić sobie z wyzwaniami związanymi z przetwarzaniem sygnałów w czasie rzeczywistym, wymienianych między wieloma urządzeniami generującymi dane? W  przyszłości gałęzie... więcej »
Hörmann Polska uruchamia całodobową infolinię serwisową
24 godziny na dobę, 7 dni w tygodniu, 365 dni w roku - działa uruchomiona właśnie infolinia serwisowa firmy Hörmann. Dzięki temu jej klienci mogą mieć pewność, że w różnych awaryjnych sytuacjach w... więcej »
Liderzy polskiej energetyki spotkają się w Lublinie
Już po raz 10. Lublin stanie się stolicą polskiej energetyki, a  to wszystko za sprawą Lubelskich Targów Energetycznych ENERGETICS. Jubileuszowa edycja wydarzenia odbędzie się w... więcej »
 
Aktualne wydanie

Zobacz także

  •   Wydarzenia  
  •   Katalog  

Wydarzenia

Fabryka Roku 2017
2017-11-23 - 2017-11-23
Miejsce: Warszawa
Targi EUROTOOL
2017-11-28 - 2017-11-30
Miejsce: Kraków
Targi FASTENER POLAND
2017-11-28 - 2017-11-30
Miejsce: Kraków
INTRALOMAG II Targi Logistyki Magazynowe
2017-11-29 - 2017-11-30
Miejsce: Łódź
Targi RENEXPO® INTERHYDRO
2017-11-29 - 2017-11-30
Miejsce: Salzburg
Top Industry Summit 2017
2017-11-29 - 2017-11-29
Miejsce: Warszawa

Katalog

Mechanical-Project
Mechanical-Project
Robotnicza 7/8
71-712 Szczecin
tel. 504-455-268

Mobile Blast Cleaning
Mobile Blast Cleaning
Mazurska 42/6
70-424 Szczecin
tel. 691-691-097

Tech Solutions sp. z o.o.
Tech Solutions sp. z o.o.
Wersalska 47/75
91-212 Łódź
tel. 42 6403050

zobacz wszystkie




SONDA

Czy inwestycje na rzecz energooszczędności się opłacają?

Oddanych głosów: 16

50% 50 %
tak 8 głos(ów)

31.3% 31.3 %
nie 5 głos(ów)

18.8% 18.8 %
nie potrafię wyliczyć 3 głos(ów)


Wydania specjalne

O wydawnictwie   |   Reklama   |   Mapa strony   |   Kontakt   |   Darmowa prenumerata   |   RSS   |   Partnerzy   |   
Copyright © 2003-2017 Trade Media International
zobacz nasze pozostałe strony
Trade Media International Inżynieria & Utrzymanie Ruchu Control Engineering Polska MSI Polska Inteligentny Budynek Design News Polska Almanach Produkcji w Polsce