nr1/10 Aktualności projektu PEMP czerwiec 2010 Przegląd silników elektrycznych z magnesami trwałymi... 2

Transkrypt

1 BIULETYN PORTALU EFEKTYWNOŚCI ENERGETYCZNEJ W NAPĘDACH ELEKTRYCZNYCH nr1/10 czerwiec 2010 Aktualności projektu PEMP W tym numerze Biuletynu pragniemy zwrócić Państwa uwagę na zagadnienia techniczne Aktualności projektu PEMP...1 Przegląd silników elektrycznych z magnesami trwałymi... 2 Środki NFOŚiGW na efektywność w przedsiębiorstwach... 9 Międzynarodowe protokoły EVO weryfikacja oszczędności energii, modele finansowania projektów związane z silnikami z magnesem trwałym. Możliwości zastosowania takich rozwiązań znane są już od wielu lat, jednak obecny szybki rozwój energoelektronicznych układów sterujących, techniki mikroprocesorowej, algorytmów sterowania sprawia, że technologia silników wzbudzanych magnesami trwałymi staje się coraz powszechniejsza. Ponadto w Biuletynie o planowanych od 2011 roku możliwościach finansowania przedsięwzięć poprawiających efektywność wykorzystania energii w przemyśle, również w napędach elektrycznych oraz informacje na temat dokumentów podających szczegółowe założenia i wskazówki dla procedur weryfikacji oszczędności energii i tworzenia modeli finansowania projektów związanych z podnoszeniem efektywności energetycznej. Środki NFOŚiGW na efektywność w przedsiębiorstwach Narodowy Fundusz Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej planuje uruchomienie mechanizmu finansowego kierowanego do przedsiębiorstw, dotyczącego wspierania przedsięwzięć związanych z poprawą efektywności energetycznej. Obecnie przygotowywany jest program priorytetowy pn.: Efektywne zarządzanie energią w celu zmniejszenia jej zużycia w przedsiębiorstwach. Przewidywany budżet programu na lata wynosi mln zł, w tym dotacja na audyty w wysokości 100 mln oraz mln zł w formie preferencyjnych pożyczek na działania inwestycyjne, w wyniku których uzyskiwany jest efekt w postaci oszczędności energii. W ramach portalu PEMP działa bezpłatne szkolenie internetowe Oceń potencjał oszczędności przy pomocy programu EFEMotor dotyczące nauki obsługi tego darmowego oprogramowania. Sprawdź pod adresem internetowym portal.pemp.pl w zakładce E-Szkolenia. BIULETYN FINANSOWANY JEST ZE ŚRODKÓW NARODOWEGO FUNDUSZU OCHRONY ŚRODOWISKA I GOSPODARKI WODNEJ Centrum PEMP biuro@pemp.pl; Fundacja na rzecz Efektywnego Wykorzystania Energii (FEWE) ul.rymera 3/4, Katowice tel.: , fax:

2 Przegląd silników elektrycznych z magnesami trwałymi Robert Rossa Branżowy Ośrodek Badawczo-Rozwojowy Maszyn Elektrycznych KOMEL 1. Wstęp. Podstawowe zalety oraz klasyfikacja silników elektrycznych z magnesami trwałymi. Pojawienie się na rynku wysokoenergetycznych magnesów trwałych z domieszkami pierwiastków ziem rzadkich: SmCo w latach 70. i NdFeB w latach 80. oraz szybki rozwój przekształtników energoelektronicznych, techniki mikroprocesorowej i algorytmów sterowania silnikami spowodowały, że w przemysłowych napędach elektrycznych dużej, średniej i małej mocy stosowane są coraz częściej różne odmiany siników elektrycznych z magnesami trwałymi. Głównymi zaletami silników wzbudzanych magnesami trwałymi, przyczyniającymi się do coraz powszechniejszego ich zastosowania w przemyśle oraz w trakcji kolejowej i drogowej są: najkorzystniejszy spośród maszyn elektrycznych wirujących stosunek uzyskiwanego momentu i mocy znamionowej do objętości i masy maszyny, co w stosunku do innych typów silników elektrycznych, pozwala na obniżenie wymiarów gabarytowych i masy silnika przy zachowaniu tej samej mocy znamionowej lub do zwiększenia mocy bez zwiększania gabarytu; duża, nawet kilkukrotna przeciążalność momentem, który to parametr w napędach elektrycznych z tego typu silnikami jest często determinowany nie przez parametry konstrukcyjne samego silnika lecz przez ograniczenia przekształtnika elektronicznego (maksymalny prąd przekształtnika); możliwość pracy w szerokim zakresie prędkości obrotowych dzięki zwartej i wytrzymałej konstrukcji wirnika; wysoka sprawność w całym przedziale prędkości obrotowych, najwyższa spośród znanych obecnie maszyn elektrycznych wirujących; dobre właściwości regulacyjne i wysoka dynamika napędu, gdyż silniki z magnesami trwałymi mogą charakteryzować się stosunkowo małym momentem bezwładności, szybko reagują na polecenia układu sterowania, mogą osiągać duże przyśpieszenia kątowe wirnika; stosunkowo wysoka niezawodność ruchowa, zwłaszcza w porównaniu do silników prądu stałego z komutatorem mechanicznym. Klasyfikacja silników z magnesami trwałymi może być przeprowadzona wg wielu różnych kryteriów. Pod względem zasady działania i sposobu sterowania, wśród silników z magnesami trwałymi można wyróżnić kilka typów: Kolegium Redakcyjne: Szymon Liszka, Tomasz Zieliński, Michał Pyka Redakcja: Tomasz Zieliński, Michał Pyka Opracowanie graficzne: Joanna Chudzik Adres: Fundacja na rzecz Efektywnego Wykorzystania Energii - FEWE Centrum PEMP ul. Rymera 3/4, Katowice tel/fax: biuletyn@pemp.pl Silniki synchroniczne z magnesami trwałymi o rozruchu bezpośrednim, ang. skrót LSPMSM od Line-Start Permanent Magnet Synchronous Motor. Są to silniki przeznaczone do pracy przy zasilaniu napięciem sinusoidalnym bezpośrednio z sieci przemysłowej lub z przekształtników o wymuszonym napięciu i częstotliwości; Silniki synchroniczne z magnesami trwałymi, ang. skrót PMSM od Permanent Magnet Synchronous Motor. Są to silniki wymagające zasilania z przekształtnika energoelektronicznego sterowanego w sposób ciągły kątem położenia wirnika. Najczęściej stosowane są falowniki zasilające silnik sinusoidalną falą napięcia o regulowanej wartości skutecznej i częstotliwości (ang. Voltage Source Inverter). 2

3 Silniki bezszczotkowe prądu stałego, ang. skrót BLDCM od Brush-Less Direct Current Motor. Silniki te zasilane są prostokątną falą prądu z komutatora elektronicznego sterowanego punktowo kątem położenia wirnika; Silniki szczotkowe prądu stałego z magnesami trwałymi silniki z klasycznym komutatorem mechanicznym i magnesami trwałymi zastosowanymi zamiast uzwojeń wzbudzenia. Inne klasyfikacje silników z magnesami trwałymi odnoszą się zwykle do: kierunku rozpływu strumienia magnetycznego głównego w rdzeniu magnetycznym maszyny (promieniowy lub osiowy rozpływ strumienia względem osi wału silnika); koncepcji umiejscowienia wirnika jako wewnętrznego (rozwiązanie klasyczne z zewnętrznym, uzwojonym twornikiem) lub zewnętrznego (wirnik zewnętrzny posiada zwykle magnesy trwałe o kształcie segmentów łukowych mocowane na wewnętrznej średnicy jego jarzma); w przypadku maszyn z wirnikiem wewnętrznym miejsca i sposobu zamocowania magnesów trwałych w wirniku (maszyny z magnesami o kształcie segmentów łukowych mocowanymi na powierzchni wirnika, maszyny z magnesami mocowanymi wewnątrz rdzenia magnetycznego wirnika). zamocowane w wirniku wytwarzają stałą siłę magnetomotoryczną (smm) wzbudzenia, co zapewnia pracę synchroniczną silnika. Pod koniec rozruchu silnika następuje proces zsynchronizowania prędkości kątowej wirującego pola magnetycznego wytwarzanego przez magnesy trwałe z prędkością kątową synchroniczną wirującego pola magnetycznego wytwarzanego przez prąd w uzwojeniu twornika. Za rozruch silnika LSPMSM odpowiada więc moment asynchroniczny zapewniany przez uzwojenie klatkowe w wirniku, natomiast moment roboczy silnika jest momentem synchronicznym zapewnianym przez magnesy trwałe. Przy pracy ustalonej synchronicznej w uzwojeniu klatkowym silnika LSPMSM nie płynie prąd i straty w wirniku są pomijalnie małe. Przykładowe rozwiązania konstrukcyjne wirników w silnikach LSPMSM [1 4] pokazano na rys. 1. Początkowo w wirnikach silników LSPMSM stosowano głównie magnesy ferrytowe, które w drugiej połowie lat 80. zeszłego stulecia zostały wyparte przez magnesy z domieszkami pierwiastków ziem rzadkich. Obecnie w zdecydowanej większości tych silników stosuje się magnesy NdFeB, a czasami także magnesy SmCo. Magnesy te są mocowane w odpowiednio rozmieszczonych gniazdach pomiędzy klatką rozruchową a wałem silnika. Spośród wymienionych wyżej typów silników z magnesami trwałymi, najczęściej spotykanymi obecnie w aplikacjach przemysłowych są silniki LSPMSM oraz PMSM o promieniowym rozpływie strumienia i z wirnikiem wewnętrznym. W dalszej części artykułu skoncentrowano się na tych właśnie odmianach silników. 2. Silniki synchroniczne z magnesami trwałymi o rozruchu bezpośrednim, LSPMSM. Silniki LSPMSM są spośród silników z magnesami trwałymi konstrukcyjnie najbardziej zbliżone do 3-fazowych silników indukcyjnych. Stojan silnika LSPMSM jest pod względem konstrukcyjnym identyczny do stojana silnika indukcyjnego. Stosowane są często te same wykroje i gatunki blach prądnicowych oraz długości pakietów co w silnikach indukcyjnych produkowanych wielkoseryjnie. Także rozwiązania konstrukcyjne uzwojenia są takie same, tzn. stosowane są uzwojenia rozłożone quasi-sinusoidalnie w żłobkach wzdłuż obwodu twornika. Sposób rozwiązania układu izolacyjnego uzwojenia, stosowane schematy połączeń oraz rozwiązania połączeń czołowych pozostają bez zmian. W wirniku silnika LSPMSM oprócz magnesów trwałych umieszczone jest uzwojenie klatkowe, odlewane z aluminium lub montowane z prętów i pierścieni miedzianych. Dzięki uzwojeniu klatkowemu rozruch silników LSPMSM odbywa się podobnie jak rozruch silników indukcyjnych, tzn. poprzez bezpośrednie przyłączenie uzwojenia stojana do źródła napięcia przemiennego, bez konieczności stosowania układów synchronizacyjnych. Magnesy trwałe Rys. 1. Wybrane przykłady rozwiązania konstrukcyjnego wirników w silnikach LSPMSM, 2p=4 Wirniki wszystkich praktycznie silników LSPMSM charakteryzują się asymetrią magnetyczną, tzn. w konstrukcjach tych wirników wyróżnić można dwie osie magnetyczne o różnych reluktancjach (oporach magnetycznych): oś podłużną d pokrywającą się z osią smm wzbudzenia od magnesów trwałych oraz oś poprzeczną q przesuniętą o 90 el. względem osi d (rys. 1). W silnikach LSPMSM reluktancja w osi magnetycznej d jest znacznie większa niż w osi q. W wyniku tego pomiędzy reaktancjami synchronicznymi tych silników dla osi d i q zachodzi zwykle zależność: czyli zależność odwrotna niż w klasycznych maszynach synchronicznych ze wzbudzeniem elektromagnetycznym. Dzięki asymetrii magnetycznej wirnika wypadkowy użyteczny moment synchroniczny T S ma dwie składowe: składową T SPM związaną z smm magnesów trwałych i opisaną zależnością: 3

4 wypadkowy asynchroniczny moment rozruchowy T r_śr silnika LSPMS jest zawsze mniejszy niż moment T k zapewniany przez samo uzwojenie klatkowe (rys. 3). oraz składową reluktancyjną T SRel opisaną zależnością: Wypadkowy moment synchroniczny silnika LSPMSM opisany jest natomiast zależnością: W zależnościach (1) (4) poszczególne zmienne oznaczają: X d, X q reaktancje synchroniczne odpowiednio w osi magnetycznej d i q; U f wartość skuteczna napięcia fazowego zasilającego obwód twornika; E 0 wartość skuteczna napięcia indukowanego w fazie twornika przez magnesy trwałe; * kąt mocy, kąt między osiami pola stojana i wirnika (między wskazami U f i E 0 na wykresie wskazowym maszyny synchronicznej); n S prędkość obrotowa synchroniczna wirnika. Z uwagi na zależność (1), dla silników LSPMSM maksimum charakterystyki kątowej momentu synchronicznego w funkcji kąta mocy T S = f(*) jest osiągane zwykle przy kącie * > 90 el. (rys. 2). Rys. 2. Charakterystyka kątowa momentu synchronicznego T S = f(*) dla silnika LSPMSM Wadą silników LSPMSM jest ich utrudniony rozruch w stosunku do silników indukcyjnych, z uwagi na występowanie asynchronicznego momentu hamującego T m generowanego przez smm magnesów trwałych w czasie przyspieszania wirnika [5 7]. Ten moment hamujący przeciwdziała asynchronicznemu momentowi klatki rozruchowej T k, w wyniku czego Rys. 3. Uśredniony moment asynchroniczny, moment hamujący od magnesów trwałych, moment klatki rozruchowej oraz moment synchroniczny typowego silnika LSPMSM, 2p=4 Dzięki możliwości przeprowadzenia rozruchu poprzez bezpośrednie przyłączenie do sieci przemysłowej, bez konieczności stosowania jakichkolwiek przekształtników energoelektronicznych, silniki LSPMSM są stosowane zwykle jako zamienniki dla silników indukcyjnych w prostych układach napędowych dużej, średniej i małej mocy, w których nie istnieje konieczność płynnej regulacji prędkości obrotowej w szerokim zakresie. Pierwszą korzyścią z takiej zamiany jest wyższa sprawność napędu, wynikająca z wyeliminowania strat w wirniku i ograniczenia strat w miedzi dzięki zmniejszeniu prądu magnesującego. Sprawność silników LSPMSM jest wyższa od najbardziej sprawnych energetycznie silników indukcyjnych spełniających wymagania norm EFF1 czy NEMA Premium Efficiency Electric Motors. Drugą korzyścią jest wyższy współczynnik mocy silnika w całym zakresie obciążeń. Ograniczeniem dla stosowania silników LSPMSM jest natomiast ich utrudniony rozruch z uwagi na występowanie asynchronicznego momentu hamującego Tm. Dlatego obszar zastosowania tych silników to głównie napędy, w których początkowy moment obciążenia jest niewielki i wzrasta on ze wzrostem prędkości obrotowej. Szczególnie opłacalna jest wymiana silników indukcyjnych na LSPMSM w napędach przemysłowych małej mocy, gdzie sprawność silników indukcyjnych i ich współczynnik mocy są stosunkowo niskie [8]. Przykładowe zastosowania dla silników LSPMSM to napędy pomp i wentylatorów. W tabeli 1 porównano przedstawione w publikacji [8] parametry eksploatacyjne 3-fazowego silnika indukcyjnego wzniosu mechanicznego 90 mm, 4-biegunowego, o mocy 1.1 kw i bazującego na nim silnika LSPMSM. W silniku z magnesami trwałymi zmieniono liczbę zwojów w uzwojeniu stojana oraz zaprojektowano na nowo wirnik, natomiast długość pakietu, obudowa oraz układ chłodzenia pozostały bez zmian. Autorzy ocenili, że przy produkcji masowej silnik LSPMSM będzie o 20 % droższy od silnika indukcyjnego. 4

5 Tabela 1. Porównanie sprawności i współczynnika mocy przy różnych momentach obciążenia dla silnika indukcyjnego i LSPMSM o tych samych wymiarach gabarytowych, wznios 90 mm, 2p=4 Moment obciążenia Silnik LSPMSM, wznios 90 mm, 2p=4 Silnik indukcyjny, wznios 90 mm, 2p=4 Sprawność (%) cos n Sprawność (%) cos n Silniki LSPMSM mogą być także stosowane zamiast silników synchronicznych reluktancyjnych wykonywanych w oparciu o rozkroje blach silników indukcyjnych (ang. skrót SynRM). W Branżowym Ośrodku Badawczo- Rozwojowym Maszyn Elektrycznych Komel opracowano konstrukcję tzw. silnika synchronicznego reluktancyjnego dowzbudzanego magnesami trwałymi (ang. skrót PMSynRM). Konstrukcyjnie silnik ten jest bardzo zbliżony do silnika SynRM, a główna różnica polega na zastosowaniu magnesów trwałych w wirniku, jak pokazano na rys. 4. Silniki PMSynRM są odmianą silników LSPMSM, a ich cechą charakterystyczną jest to, że składowa reluktancyjna T SRel wypadkowego momentu synchronicznego T S jest zbliżona co do wartości lub większa od składowej magnesów trwałych T SPM. Sh80-4B PMSynRM Tabela 3. Porównanie parametrów silnika PMSynRM, 2p=4, wzniosu 80 mm i silnika SynRM typu RSh80-4BM1, przy tej samej mocy PN = 550 W (moc znamionowa silnika SynRM) Rys. 4. Przekroje poprzeczne silników SynRM i PMSynRM o liczbie biegunów 2p=4 1 blacha stojana; 2 blacha wirnika; 3, 4 małe i duże żłobki wirnika, 5 uzwojenie stojana W tabeli 2 przedstawiono porównanie parametrów eksploatacyjnych seryjnego silnika indukcyjnego Sh80-4B o mocy 750 W oraz bazującego na nim i pracującego przy tej samej mocy obciążenia silnika PMSynRM. Silnik z magnesami trwałymi posiadał tą samą długość pakietu blach, oprócz wymiany wirnika zmieniono także liczbę zwojów w stojanie w celu zapewnienia optymalnej proporcji pomiędzy parametrami rozruchowymi silnika a parametrami przy pracy ustalonej synchronicznej. Silnik PMSynRM wykonano we współpracy pomiędzy BOBRME Komel i FSE Besel S.A. Typ silnika W tabeli 3 porównano parametry przy pracy synchronicznej dla tego samego silnika PMSynRM oraz silnika SynRM o wzniosie 80 mm, 2p=4, typu RSh80-4BM1, o takim samym wykroju blach stojana i wirnika oraz długości pakietu. Parametry silnika PMSynRM podano dla dwóch wariantów liczby zwojów w fazie stojana z 1. Tabela 2. Porównanie parametrów silnika PMSynRM, 2p=4, wzniosu 80 mm i silnika indukcyjnego typu Sh80-4B, przy tej samej mocy obciążenia PN = 750 W P N n N T N I N (400V) 0 cos n Typ silnika W min -1 N-m A RSh80-4BM1 (z 1 = 402) PMSynRM (z 1 = 402) PMSynRM (z 1 = 486) P N n N T S_max T N I N (400V) 0 cos n I 0 (400V W min -1 N-m N-m A A

6 3. Silniki synchroniczne z magnesami trwałymi, PMSM Konstrukcja i cechy charakterystyczne silników PMSM. Podobnie jak w przypadku silników LSPMSM, stojany silników PMSM są najczęściej konstrukcyjnie takie same jak w silnikach indukcyjnych, zarówno pod względem wykroju blach rdzenia magnetycznego jak i typu uzwojenia (uzwojenie rozłożone quasi-sinusoidalnie w żłobkach wzdłuż obwodu twornika). Spotykane są jednak specjalne rozwiązania tych silników z uzwojeniami o cewkach skupionych. W wirnikach silników PMSM zamocowane są magnesy trwałe, zwykle typu NdFeB. Opracowano wiele wariantów rozmieszczenia magnesów w wirnikach. Zależnie od zastosowanego wariantu rozmieszczenia magnesów silniki PMSM dzieli się najogólniej na trzy grupy: z magnesami mocowanymi na cylindrycznym rdzeniu magnetycznym wirnika, ang. Surface Mounted Permanent Magnet Synchronous Motor, SMPMSM, rys. 5.a; z magnesami mocowanymi na powierzchni wirnika i z ferromagnetykiem miedzy magnesami różnoimiennych biegunów magnetycznych, ang. Inset PMSM, rys. 5.b; z magnesami mocowanymi w odpowiednio rozmieszczonych gniazdach wewnątrz rdzenia magnetycznego wirnika, zwykle pakietowanego, ang. Interior PMSM, rys. 5.c-f. Rys. 5. Przykłady rozwiązania konstrukcyjnego wirników w silnikach PMSM Wirniki silników PMSM nie posiadają uzwojenia klatkowego i dlatego nie jest możliwe przeprowadzenie ich rozruchu asynchronicznego jak w silniku indukcyjnym. Nieodzownym elementem napędu elektrycznego z silnikiem PMSM jest przekształtnik energoelektroniczny (falownik) sterujący silnikiem podczas rozruchu i w czasie jego normalnej pracy wg założonego algorytmu (strategii sterowania). Wspólną cechą różnych wariantów wykonania wirników w silnikach PMSM jest to, że zapewniają one w przybliżeniu sinusoidalny rozkład przestrzenny indukcji magnetycznej w szczelinie powietrznej silnika, co jest warunkiem optymalnej pracy tego typu silników. kształt charakterystyk elektromechanicznych silnika PMSM, na uzyskiwaną wartość znamionowego i maksymalnego momentu elektromagnetycznego, sprawność czy zakres osiągalnych prędkości obrotowych napędu przy zadanych parametrach źródła zasilania i przekształtnika [9, 10]. Jako że silniki PMSM nie posiadają uzwojenia klatkowego, wytwarzają one wyłącznie moment synchroniczny. Dla rozwiązań konstrukcyjnych silników typu Inset oraz Interior PMSM, podobnie jak w przypadku silników LSPMSM, ze względu na asymetrię magnetyczną wirnika, generowany wypadkowy moment synchroniczny T S ma dwie składowe: od magnesów trwałych T SPM oraz reluktancyjną T SRel. Składowe te opisane są identycznymi zależnościami (1) ) (4) jak dla silników LSPMSM. Identyczna jest także charakterystyka kątowa T S = f(*) (rys. 2). Wirniki silników o konstrukcji SMPMSM są magnetycznie symetryczne i w ich wypadku moment synchroniczny T S ma wyłącznie składową od magnesów trwałych T SPM. Z tego powodu silniki SMPMSM osiągają ogólnie gorsze współczynniki momentu i mocy do masy i objętości niż silniki Inset i Interior PMSM. Ich zaletą jest natomiast stosunkowo prosta konstrukcja wirnika i technologia montażu. Podstawowymi zaletami napędów z silnikami PMSM są: bardzo wysoki współczynnik uzyskiwanego momentu znamionowego na jednostkę masy lub objętości maszyny, duża chwilowa przeciążalność momentem (nawet kilkukrotna), duża wartość momentu rozruchowego, wysoka sprawność, niski poziom niepożądanych tętnień momentu na wale w stosunku do silników BLDCM, dobra dynamika i bardzo dobre właściwości regulacyjne napędu umożliwiające precyzyjną regulację prędkości obrotowej w szerokim zakresie. Zalety te powodują, że silniki PMSM są najczęściej wykorzystywane w wysokowydajnych, wysokosprawnych napędach elektrycznych o prędkości obrotowej płynnie regulowanej w szerokim zakresie. Stosowane są one m.in. coraz częściej w trakcji kolejowej i drogowej, spotkać je można w nowoczesnych napędach statków i okrętów (napęd azymutalny gondolowy AZIPOD firmy ABB, napęd łodzi podwodnych PERMASYN firmy Siemens). Silniki te stosowane są w napędach wind i różnego typu podnośników oraz taśmociągów o regulowanej prędkości, w serwonapędach i robotyce. Silniki PMSM są chętnie wykorzystywane w lotnictwie pasażerskim (napęd mechanizmów pokładowych), a ostatnio także w małych, ultralekkich statkach powietrznych typu paraglide, gdzie ich główną zaletą jest duża moc osiągana z jednostki masy. Głównymi wadami napędów z silnikami PMSM są natomiast: konieczność stosowania stosunkowo złożonych algorytmów i układów sterowania z ciągłym i precyzyjnym pomiarem kąta położenia wirnika względem stojana, wysoka cena pełnego układu napędowego (przekształtnik wraz z oprogramowaniem i silnik). Sposób rozmieszczenia magnesów trwałych w istotny sposób wpływa na 6

7 3.2. Dwustrefowa regulacja prędkości w napędach z silnikami PMSM. Opracowano kilka strategii sterowania [11 ) 14] napędami elektrycznymi z silnikami PMSM o szeroko regulowanej prędkości obrotowej. Generalnie jednak w wyniku zastosowania tych strategii oraz dzięki odpowiedniej konstrukcji wirników w silnikach PMSM [9, 10], uzyskiwane są podobne, typowe charakterystyki elektromechaniczne napędu o szeroko regulowanej prędkości, pokazane na rys. 6. Na charakterystykach tych wyróżnić można dwie strefy regulacji prędkości, tzw. strefę stałego momentu i strefę stałej mocy. Rys. 6. Charakterystyki elektromechaniczne napędów elektrycznych o szerokim zakresie regulacji prędkości silnika może być w przybliżeniu także stała, jednakże warunkiem tego jest odpowiednie zaprojektowanie obwodu elektrycznego i magnetycznego silnika [9, 10, 14] Porównanie silnika indukcyjnego i PMSM o tych samych wymiarach gabarytowych i masie. W tabeli 4 zestawiono porównanie parametrów znamionowych 3-fazowego energooszczędnego silnika indukcyjnego SEE315L4 produkcji ZME Emit S.A. o klasie sprawności EFF1 oraz zaprojektowanego i wykonanego w oparciu o ten sam pakiet blach stojana i kadłub prototypu silnika PMSM, typ SMws315L4 (współpraca BOBRME Komel i Emit S.A.). W silniku PMSM zastosowano wentylator obcy w celu umożliwienia pracy silnika z wysokim momentem obciążenia przy niskich prędkościach obrotowych. Przedstawione w tabeli 4 parametry dla prototypu SMws315L4 są wartościami obliczeniowymi, gdyż silnik ten nie był jeszcze poddany badaniom przy pracy silnikowej. Jako moc znamionową dla silnika SMws315L4 przyjęto moc, przy której suma strat w tym silniku jest zbliżona do sumy strat w silniku SEE315L4. Tabela 4. Porównanie parametrów silnika indukcyjnego typu SEE315L4, wzniosu 315 mm, 2p=4 oraz silnika PMSM typu SMws315L4, przy zbliżonej sumie strat mocy w obu silnikach. Typ silnika P N n N T N T max 0 cos n kw min -1 N-m N-m % SEE315L SMws315L > W pierwszej strefie regulacji prędkości obro towej, od zera aż do tzw. prędkości bazowej n b, silniki PMSM są sterowane wg takiej strategii, by pracowały przy optimum ilorazu osiąganego momentu elektromagnetycznego do prądu zasilania T/I 1. W strefie pierwszej silnik pracuje przy stałym stosunku napięcia zasilania do częstotliwości U 1 /f, czyli ze stałą wartością strumienia magnetycznego głównego, a moment elektromagnetyczny T silnika jest w przybliżeniu liniowo zależny od prądu zasilania I 1 [14]. Przy prędkości bazowej n b napięcie U 1 na zaciskach silnika osiąga już maksymalną możliwą wartość U 1max determinowaną przez dostępne źródło zasilania, przekształtnik i zastosowaną metodę generowania fali napięcia przemiennego na wyjściu przekształtnika. Dalsze zwiększenie prędkości obrotowej silnika jest możliwe tylko przy zastosowaniu tzw. osłabiania strumienia magnetycznego głównego w silniku. Jest to druga strefa regulacji prędkości. Osłabianie strumienia w silnikach PMSM uzyskuje się poprzez wytworzenie odpowiedniej dla danej prędkości n > n b ujemnej podłużnej reakcji twornika, skutkującej nieprzekroczeniem limitu napięcia U 1max. Opracowano kilka strategii sterowania silnikami PMSM w drugiej strefie regulacji prędkości. Najczęściej stosowaną jest strategia stały-prąd-stałenapięcie, dla której wartości skuteczne napięcia i prądu zasilania silnika powyżej prędkości n b są stałe (np. U 1max, I 1N ). Moc mechaniczna P na wale Uzwojenie silnika SMws315L4 wykonane zostało w sposób identyczny jak w silniku SEE315L4, z wyjątkiem zmiany liczby zwojów w celu dopasowania napięcia i prądu znamionowego silnika do wymagań przekształtnika energoelektronicznego. Zatem masy miedzi wykorzystanej w obu silnikach są takie same. Długość pakietu blach pozostawiono w SMws315L4 bez zmian, dlatego praktycznie takie same są też masy blach elektrotechnicznych prądnicowych koniecznych do wykonania rdzeni magnetycznych obu silników. Jak widać z tabeli 4, prototypowy silnik PMSM charakteryzuje się mocą znamionową o 30 % większą w stosunku do silnika indukcyjnego o identycznych wymiarach gabarytowych i zbliżonej masie. Wyższa moc uzyskiwana jest przy sprawności wyższej o 0.6 %, co przy mocach rzędu 200 kw jest różnicą znaczną. 7

8 4. Inne odmiany silników elektrycznych z magnesami trwałymi Silniki bezszczotkowe prądu stałego BLDCM. Stojany silników BLDCM mogą być wykonane identycznie jak stojany silników PMSM. Jednakże często zamiast uzwojenia o rozkładzie quasisinusoidalnym stosuje się uzwojenie z cewkami skupionymi. Warunkiem optymalnej pracy tego typu silników jest to, by konstrukcja wirnika, a zwłaszcza sposób rozmieszczenia w nim magnesów trwałych, zapewniała prostokątny rozkład przestrzenny indukcji magnetycznej w szczelinie powietrznej silnika. Najczęściej spotykane rozwiązanie konstrukcyjne wirnika polega na zamocowaniu magnesów trwałych o kształcie segmentu łukowego na powierzchni cylindrycznego jarzma. Algorytmy i układy sterowania silnikami BLDCM nie wymagają ciągłego pomiaru kąta położenia wirnika względem stojana, a jedynie konieczny jest punktowy pomiar tego kąta dla wybranych pozycji wirnika. Dzięki temu, zarówno algorytm jak i sprzętowy układ sterowania silnikiem znacznie się upraszcza w porównaniu do układów sterowania silnikami PMSM. Główne zalety silników BLDCM są zasadniczo takie same jak dla silników PMSM. Istotną zaletą są nieskomplikowane i tanie układy sterowania. Ze względu na sposób sterowania silnikami BLDCM nieciągła lecz skokowa detekcja pozycji wirnika, zastąpienie sinusoidalnego rozkładu przestrzennego indukcji w szczelinie i sinusoidalnych prądów zasilania prostokątnym rozkładem indukcji i prostokątnymi prądami zasilania napędy z silnikami BLDCM charakteryzują się wyższymi tętnieniami momentu na wale niż napędy z silnikami PMSM Silniki szczotkowe prądu stałego z magnesami trwałymi. Rozwój produkcji magnesów segmentowych z ziem rzadkich oraz ich coraz tańsza technologia wykonania spowodowały możliwości zastosowania ich w klasycznych silnikach prądu stałego z komutatorem mechanicznym. Magnesy trwałe wprowadzono w miejsce nabiegunników i cewek wzbudzenia elektromagnetycznego. W rozwiązaniu tym wirnik (twornik i komutator mechaniczny) oraz szczotki pozostają w zasadzie bez zmian. Silniki tego typu charakteryzuje wyższa sprawność i większa gęstość mocy w stosunku do silników wzbudzanych elektromagnetycznie, dzięki wyeliminowaniu strat w uzwojeniu wzbudzenia. Silniki szczotkowe prądu stałego z magnesami trwałymi są spotykane m.in. w niewielkich pojazdach samobieżnych z zasilaniem bateryjnym. Brak komutatora elektronicznego i prosty układ sterowania pracą silnika powodują, że napędy te są tanie i w związku z tym chętnie stosowane w napędach: wózków inwalidzkich, wózków golfowych, samojezdnych podnośnikach magazynowych, w napędach pomocniczych w samochodach (wycieraczki do szyb, pompki, wentylatory, rozruszniki). Silniki te są stosowane także w serwomechanizmach, między innymi w obrabiarkach, automatach spawalniczych, robotach i innych. 4.3.Silniki synchroniczne z magnesami trwałymi o osiowym rozpływie strumienia magnetycznego, Axial Flux PMSM. Jedną z najnowszych odmian silników PMSM są silniki o osiowym (zgodnym z kierunkiem osi wału) rozpływie strumienia magnetycznego w rdzeniu silnika (ang. Axial Flux Motor). Z wyglądu silniki te charakteryzują się dużym stosunkiem średnicy zewnętrznej kadłuba do jego długości, tzn. ich kadłuby mają kształt zbliżony do tarczy. Stąd wynika jedna z ich przyjętych nazw silniki tarczowe. Silniki tarczowe są zwykle sterowane z wykorzystaniem algorytmów bardzo zbliżonych do algorytmów opracowanych dla typowych silników PMSM. Podobnie jak silniki PMSM, muszą być one zasilane z przekształtników (falowników) energoelektronicznych z zaimplementowanym algorytmem sterującym. Ze względu na brak uzwojenia klatkowego w wirniku nie jest możliwy rozruch asynchroniczny silnika tarczowego poprzez jego bezpośrednie podpięcie do sieci napięcia. Cechą charakterystyczną, wyróżniającą silniki tarczowe spośród innych odmian silników PMSM jest ich wąska i stosunkowo lekka konstrukcja. Ta cecha, w połączeniu z typowymi zaletami standardowych silników PMSM powoduje, że silniki tarczowe doskonale nadają się do zastosowania w napędach różnego rodzaju elektrycznych lub hybrydowych pojazdów drogowych (zwłaszcza w lekkich konstrukcjach osobowych), pojazdów rekreacyjnych, wózków inwalidzkich, ale także np. w napędach wind. W wymienionych wyżej pojazdach silniki tarczowe są montowane bezpośrednio w kołach. 5. Wnioski. Dzięki wymienionym na początku artykułu zaletom, silniki z magnesami trwałymi, zwłaszcza typu LSPMSM i PMSM, są coraz powszechniej stosowane w różnych gałęziach przemysłu w krajach wysokorozwiniętych. Są one także coraz częściej stosowane w trakcji kolejowej, a w nowoczesnych elektrycznych lub hybrydowych pojazdach drogowych stają się standardem. O popularności tych silników zdecydowała głównie ich wysoka sprawność, najwyższa wśród wszystkich znanych obecnie maszyn elektrycznych wirujących. Innymi istotnymi czynnikami skutkującymi dużą popularnością silników z magnesami trwałymi są wysoki moment i moc uzyskiwane z jednostki masy i objętości oraz wysoka przeciążalność momentem. Maszyny synchroniczne z magnesami trwałymi są też bardzo często stosowane jako prądnice. Konstrukcja większości prądnic z magnesami trwałymi nie różni się od konstrukcji silników PMSM. Prądnice z magnesami trwałymi spotkać można we wszystkich wielkościach elektrowni wiatrowych, poczynając od małych elektrowni jachtowych o mocy kilkuset watów, a kończąc na podłączonych do sieci energetycznej dużych elektrowniach wiatrowych o mocy turbin do kilku megawatów. W małych przydomowych elektrowniach wiatrowych prądnice z magnesami trwałymi pracują często jako prądnice samotne zasilające odbiorniki grzewcze. 8

9 Literatura [1] Levran A., Levi E., Design of Polyphase Motors with PM Excitation, IEEE Trans. on Magnetics, Vol. MAG-20, No. 3, pp , May [2] Rahman M.A., Osheiba A.M., Performance of Large Line-Start Permanent Magnet Synchronous Motors, IEEE Trans. on Energy Conversion, Vol. 5, No. 1, pp , March [3] Richter E., Neumann T.W., Line Start Permanent Magnet Motors with Different Materials, IEEE Trans. on Magnetics, Vol. MAG-20, No. 5, pp , Sept [4] Kurihara K., Rahman M.A., High Efficiency Line-Start Interior Permanent Magnet Synchronous Motors, IEEE Trans. on Industry Applications, Vol. IA- 40, No. 3, pp , May/June [5] Honsinger V.B., Permanent Magnet Machines: Asynchronous Operation, IEEE Trans. on Power Apparatus and Systems, Vol. PAS-99, No. 4, pp , July/Aug [6] Miller T.J.E., Synchronization of Line-Start Permanent-Magnet AC Motors, IEEE Trans. on Apparatus and Systems, Vol. PAS-103, No. 7, pp , July [7] Soulard J., Nee H.-P., Study of the Synchronization of Line-Start Permanent Magnet Synchronous Motors, Proceedings of the IEEE Industry Applications Society Annual Meeting 2000, Roma, Italy, October [8] Fei W., Luk P.C.K., Ma J., Shen J.X., Yang G., A High-Performance Line-Start Permanent Magnet Synchronous Motor Amended From a Small Industrial Three-Phase Induction Motor, IEEE Trans. on Magnetics, Vol. MAG-45, No. 10, pp , Oct [9] Morimoto S., Sanada M., Takeda Y., Taniguchi K., Optimum Machine Parameters and Design of Inverter-Driven Synchronous Motors for Wide Constant Power Operation, Ind. Appl. Society Annual Meeting, 1994, Conference Record of the 1994 IEEE, pp [10] Schiferl R.F., Lipo T.A., Power Capability of Salient Pole Permanent Magnet Synchronous Motors in Variable Speed Drive Applications, IEEE Trans. on Ind. Appl., Vol. 26, No. 1, pp , Jan./Feb [11] Jahns T.M., Kliman G.B., Neumann T.W., Interior Permanent-Magnet Synchronous Motors for Adjustable-Speed Drives, IEEE Trans. on Ind. Appl., Vol. 22, No. 4, pp , July/Aug [12] Morimoto S., Hatanaka K., Tong Y., Takeda Y., Hirasa T., Servo Drive System and Control Characteristics of Salient Pole Permanent Magnet Synchronous Motor, IEEE Trans. on Ind. Appl., Vol. 29, No. 2, pp , Mar./Apr [13] Morimoto S., Sanada M., Takeda Y., Wide-Speed Operation of Interior Permanent Magnet Synchronous Motors with High-Performance Current Regulator, IEEE Trans. on Ind. Appl., Vol. 30, No. 4, pp , July/Aug [14] Rossa R., Król E., Dwustrefowa regulacja prędkości obrotowej w nowoczesnych napędach elektrycznych opartych na silnikach synchronicznych z magnesami trwałymi, Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne, BOBRME Komel, nr 81/2009, str Środki NFOŚiGW na efektywność w przedsiębiorstwach Projekt Programu Efektywne zarządzanie energią w celu zmniejszenia jej zużycia w przedsiębiorstwach Narodowy Fundusz Ochrony Środowiska planuje uruchomienie mechanizmu finansowego dla wsparcia działań na rzecz wzrostu efektywności energetycznej przedsiębiorstw przemysłowych. Program realizowany ma być poprzez: dofinansowanie w formie dotacji do 50% kosztów zadania na realizację audytów energetycznych w przedsiębiorstwach przemysłowych; dofinansowanie w formie preferencyjnej pożyczki na inwestycje prowadzące do wzrostu efektywności energetycznej w przedsiębiorstwie w zakresie wynikającym z audytu energetycznego. Planowany budżet Programu ustalono na kwotę 1500 mln PLN, w tym na dofinansowanie audytów energetycznych 100 mln PLN. Harmonogram wdrażania Programu to lata 2011 do Przewidziano dwuletni okres ( ) na wykonywanie audytów oraz czas na realizację zadań inwestycyjnych w latach

10 Szczegółowy opis finansowanych przedsięwzięć. Audyt energetyczny Dofinansowanie realizacji audytu energetycznego będzie możliwe w przedsiębiorstwie o minimalnej wielkości zużycia energii, w roku poprzedzającym złożenie wniosku o audyt, na poziomie 50 tys. MWh/rok. Audyt może dotyczyć źródła ciepła, linii ciepłowniczych, budynków przemysłowych i procesów technologicznych. Preferowane będą audyty wykonywane w oparciu o pomiary. Rekomendowane w audycie przedsięwzięcia muszą prowadzić do osiągnięcia oszczędności energii na poziomie nie mniejszym niż 10%. Zadania inwestycyjne służące poprawie efektywności energetycznej o minimalnym koszcie całkowitym 5 mln PLN. Zakres rzeczowy tych przedsięwzięć może objąć nowe obiekty, systemy sterowania, instalacje i urządzenia techniczne, a także zmiany techniczne w istniejących obiektach, instalacjach i urządzeniach technicznych. W szczególności mogą to być: inwestycje w systemy zarządzania energią i jej jakością oraz systemy smart grid (inteligentne systemy elektroenergetyczne) dla zarządzania sieciami elektroenergetycznymi; przedsięwzięcia racjonalizujące zużycie energii elektrycznej w zakresie stosowania silników energooszczędnych, układów sterowania napędami, energooszczędnych systemów oświetleniowych, niskostratnych transformatorów, ograniczania przepływów mocy biernej; przedsięwzięcia racjonalizujące zużycie ciepła i gazu w zakresie modernizacji instalacji parowych, termomodernizacji budynków, odzyskiwania ciepła z procesów i urządzeń, stosowania odnawialnych źródeł energii (systemy geotermalne, małe turbiny wiatrowe, kolektory słoneczne, pompy ciepła), decentralizacji rozległych sieci grzewczych; inwestycje związane z modernizacją procesów przemysłowych. Warunki finansowania przedsięwzięć inwestycyjnych. forma i wysokość finansowania: pożyczka do 50% kosztów kwalifikowanych przedsięwzięcia w kwocie od 2,5 do 30 mln PLN; pożyczka nie podlega umorzeniu; oprocentowanie: zmienne wg średniej 3-miesięcznej stopy referencyjnej WIBOR 3M; okres finansowania: do 5 lat od pierwszej wpłaty z możliwością rocznego okresu karencji. Opracowano na podstawie dokumentu NFOŚiGW na rzecz efektywności energetycznej (Warszawa, marzec 2010) Międzynarodowe protokoły EVO weryfikacja oszczędności energii, modele finansowania projektów Jerzy Piszczek Fundacja na rzecz Efektywnego Wykorzystania Energii Realizacja projektów przyczyniających się do oszczędzania energii, w tym również tych dotyczących napędów elektrycznych, pociąga za sobą konieczność wiarygodnego wyznaczenia osiągniętych efektów oszczędności. I, co ważne, nie ma to znaczenia czy projekt finansowany jest ze środków własnych, z kredytu, czy też w formule trzeciej strony (ESCO). Problem pozostaje zawsze ten sam: jakie są faktyczne oszczędności? Z tego m.in. powodu powołano do życia prywatną korporację non-profit, działającą na rzecz rynku globalnego, na którym efektywność wykorzystania naturalnych zasobów energii oraz efektywność energetyczna u użytkownika końcowego są traktowane jako rzeczywista alternatywa wobec coraz większych dostaw energii. Jest to Organizacja Oceny Efektywności (Efficiency Valuation Organization), która jako swoją misję przyjęła rozwijanie i promowanie standaryzowanych metod kwantyfikacji i zarządzania ryzykiem oraz korzyściami, związanymi z różnego typu umowami dotyczącymi efektywności końcowego użytkowania energii, energii odnawialnej oraz efektywności wykorzystania wody. Wypełniając misję EVO nadzoruje i sponsoruje Międzynarodowy Protokół Pomiarów Eksploatacyjnych i Weryfikacji (International Performance Measurement and Verification Protocol IPMVP - powstały na bazie Federal PMVP stworzonego w USA) oraz Międzynarodowy Protokół Finansowania Efektywności Energetycznej (International Energy Efficiency Financing Protocol IEEFP). 10

11 Międzynarodowy Protokół Pomiarów Eksploatacyjnych i Weryfikacji (International Performance Measurement and Verification Protocol IPMVP) Składa się z trzech tomów (woluminów): Tom I (podtytuł: Zasady określania oszczędności energii i wody) stanowi zbiór wytycznych oraz opisuje powszechnie przyjęte praktyki w zakresie prowadzenia pomiarów, obliczeń i raportowania oszczędności, wynikających z projektów dotyczących efektywności wykorzystania energii i wody, w instalacjach użytkowników końcowych. Tom II (podtytuł: Zasady i praktyczne zastosowania służące poprawie jakości środowiska wewnątrz budynków) stanowi zbiór wytycznych i pokazuje dobre praktyki w zakresie poprawy czynników wpływających na zdrowie i warunki przebywania użytkowników budynków (zagadnienia ogrzewnictwa, wentylacji, kondycjonowania powietrza). Tom III (podtytuł: Zasady określania oszczędności energii we wdrożeniach z użyciem technologii wykorzystujących energię ze źródeł odnawialnych) stanowi zbiór wytycznych oraz opisuje powszechnie przyjęte praktyki w akresie prowadzenia pomiarów, obliczeń i raportowania oszczędności, wynikających z projektów z użyciem technologii wykorzystujących energię ze ródeł odnawialnych. Tom III Część 1 (podtytuł: Zasady określania oszczędności energii w nowych obiektach/budynkach) stanowi zbiór wytycznych i opis powszechnie przyjętych praktyk w zakresie prowadzenia pomiarów, obliczeń i raportowania oszczędności w nowych budynkach/obiektach. Międzynarodowy Protokół Finansowania Efektywności Energetycznej (International Energy Efficiency Financing Protocol IEEFP). Założenia koncepcyjne. Opisuje założenia do tworzenia modeli finansowania projektów dotyczących efektywności wykorzystania energii i wody, w instalacjach użytkowników końcowych w formule strony trzeciej/esco. Wskazuje możliwości zarządzania ryzykiem/zmniejszania ryzyka w tego typu projektach. Fundacja na rzecz Efektywnego Wykorzystania Energii realizując swoją misję jest współwykonawcą międzynarodowego projektu o nazwie PERFORMANCE RISK MANAGEMENT FOR ENERGY EFFICIENCY PROJECTS THROUGH TRAINING PERMANENT, finansowanego ze środków Intelligent Energy Europe, dotyczącego barier, które najczęściej pojawiają się w związku z działaniami dotyczącymi umów o efekt energetyczny, pośród użytkowników końcowych. Strona projektu: eu. Zakłada się, że projekt przyczyni się do lepszego zrozumienia zasad finansowania przez trzecią stronę (TPF), a zwłaszcza koncepcji zawierania umów o efekt energetyczny jak i oceny wartości dostawców usług energetycznych, m.in. poprzez promocję IPMVP i IEEFP (w polskiej wersji językowej) jako dokumentów do stosowania w formie dobrowolnego standardu zawierania umów, finansowania działań i rozliczania efektów w projektach poprawy efektywności energetycznej. IPMVP jest przeznaczony do stosowania przez osoby profesjonalnie zajmujące się tymi zagadnieniami. Każdy użytkownik w oparciu o IPMVP powinien opracować swój własny, indywidualny plan pomiarów i weryfikacji, który dotyczy indywidualnej charakterystyki jego obiektu, a jednocześnie jest zgodny z terminologia przyjętą w IPMVP. Plan powinien wykazywać Opcje IPMVP, które należy zastosować oraz opisywać konieczne do zastosowania metody pomiarowe i analizy wyników oraz procedury zapewnienia jakości, których należy przestrzegać, a także powinien określać osoby odpowiedzialne za prowadzenie pomiarów i weryfikacji (M&V). Treść Tomu I Zasady określania oszczędności energii i wody dostępna jest w polskiej wersji językowej na stronach EVO. Link na strony organizacji podano na stronach Portalu PEMP pod adresem: 11

12 Notatki INSTYTUCJE FINANSUJĄCE I REALIZUJĄCE PROJEKT PEMP Narodowy Fundusz Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej, Fundacja na Rzecz Efektywnego Wykorzystania Energii (FEWE),