Technologie silników elektrycznych większa wydajność w różnych zastosowaniach

Transkrypt

1 MAKING MODERN LIVING POSSIBLE Technologie silników elektrycznych większa wydajność w różnych zastosowaniach Przegląd tendencji i zastosowań.

2 Jeden napęd VLT dla każdego Ciągły rozwój technologii elektrycznych silników trójfazowych prowadzi do wzrostu sprawności energetycznej układów napędowych w zastosowaniach przemysłowych, komunalnych i budynkowych. W broszurze przedstawiono przegląd obecnie dostępnych technologii i ich zastosowań, jak również zalety i wady poszczególnych rozwiązań. Dopasowane algorytmy sterowania silnikami maksymalizują sprawność układu napędowego Producenci stosują wiele koncepcji konstrukcji silników elektrycznych w celu uzyskania wysokiej sprawności układów napędowych w zastosowaniach przemysłowych, komunalnych i budynkowych. Choć większość technologii silnikowych zapewnia porównywalną sprawność w nominalnym punkcie pracy układu, różnią się pod wieloma względami w obszarze parametrów rozruchowych i charakterystyki pracy pod niepełnym obciążeniem. Dla użytkowników głównym skutkiem dużej różnorodności technologii silników jest potrzeba znalezienia technologii odpowiedniej do danego zastosowania, tak aby zmaksymalizować sprawność energetyczną i uzyskać związane z tym korzyści. W zasadzie prawie wszystkie silniki można eksploatować z regulowaną charakterystyką zasilania określając wymagane napięcie dla poszczególnych prędkości obrotowych lub częstotliwości wyjściowej (charakterystyka napięciowo-częstotliwościowa). Jednak teoretyczną sprawność wynikającą z poszczególnych technologii silnikowych można w praktyce uzyskać z użyciem algorytmów sterowania specjalnie przygotowanych dla danej technologii, w przeciwnym razie nie jest bowiem możliwa optymalizacja pracy silnika dla każdego punktu pracy przy zmiennym obciążeniu. Małe zróżnicowanie układów napędowych w instalacjach Niemal wszystkie powszechnie stosowane technologie silnikowe opisane w broszurze bądź niezbędnie wymagają sterownika elektronicznego lub mogą być sterowane elektronicznie. Rodzi się jednak wtedy pytanie: czy wszystkie silniki można obsługiwać z użyciem zaledwie jednego typu sterownika? Jeżeli nie, użytkownicy i operatorzy ryzykują konieczność stosowania bardzo zróżnicowanych układów. W praktyce oznacza to wyższe koszty szkolenia projektantów i operatorów układów, jak również szerszej bazy serwisowej. Konieczność magazynowania części zamiennych do różnego rodzaju urządzeń to także większe koszty eksploatacji. Możliwość obsługiwania wszystkich typów silników przetwornicą częstotliwości tylko jednego typu jest korzystna dla użytkowników, ponieważ znacznie redukuje wyżej opisane dodatkowe nakłady pracy i środki finansowych przeznaczane na utrzymanie ruchu. Jako niezależny producent przetwornic częstotliwości, Danfoss oferuje rozwiązanie, dzięki któremu możliwe jest sterowanie jednym urządzeniem wszystkich standardowych silników powszechnie stosowanych w automatyce przemysłowej i budynkowej. Daje to operatorom instalacji możliwość stosowania tego samego interfejsu operatora, tych samych interfejsów układów, tych samych rozszerzeń oraz sprawdzonej, niezawodnej technologii w całym zakresie mocy. Zarządzanie częściami zamiennymi i ich obsługa ulegają uproszczeniu, a koszty szkoleń spadają. Łatwe wprowadzenie do eksploatacji i algorytmy zapewniające optymalizację sprawności Jako niezależny producent rozwiązań napędowych, Danfoss stawia na innowacyjny rozwój zapewniający obsługę wszystkich powszechnie stosowanych typów silników. Przetwornice częstotliwości Danfoss dotychczas oferowały algorytmy sterowania zapewniające wysoką sprawność standardowych silników indukcyjnych i silników z magnesami trwałymi (PM), a obecnie, począwszy od VLT AutomationDrive FC 302, obsługują również synchroniczne silniki reluktancyjne. Ponadto przetwornica częstotliwości VLT sprawia, że ustawienie programu, dopasowanie algorytmu pracy i uruchomienie takiego silnika przy wdrożeniudo eksploatacji jest równie łatwe, jak w przypadku standardowych silników indukcyjnych. Dzięki połączeniu łatwości użytkowania z dodatkowymi użytecznymi funkcjami, takimi jak automatyczna adaptacja silnika, która mierzy charakterystykę silnika i odpowiednio optymalizuje jego parametrysilnik zawsze pracuje z najwyższą możliwą sprawnością, umożliwiając użytkownikom zmniejszenie zużycia energii i kosztów eksploatacji. 2

3 3

4 Motywy dążenie do poprawy sprawności energetycznej Wyczerpywanie się paliw kopalnych, zmiany klimatyczne i globalne ocieplenie to tylko niektóre spośród wielu powodów, dla których konieczne jest znaczne zmniejszenie zużycia energii, co pociąga za sobą konsekwencje polityczne. Na przykład wiele państw na całym świecie nie tylko w UE ustanowiło obowiązkowe klasy sprawności silników elektrycznych, ponieważ silniki elektryczne są elementem pośrednim pomiędzy dostawą energii elektrycznej a procesami mechanicznymi w przemyśle i w instalacjach budynkowych, odpowiadającym za znaczną część zużycia energii. Maszyny napędzane silnikami elektrycznymi odpowiadają za dwie trzecie zużycia energii w przemyśle. Dzięki zastąpieniu dotychczasowych, mających dziesiątki lat napędów nowoczesnymi technologiami napędowymi, w samych tylko Niemczech w przemyśle i handlu można uzyskać oszczędności rzędu 38 miliardów kilowatogodzin rocznie. W skali europejskiej dałoby to redukcję zużycia o aż 135 miliardów kilowatogodzin, co odpowiada zmniejszeniu emisji CO 2 o 69 milionów ton (źródło wszystkich danych: ZVEI, Motors and controlled drives ). Minimalne poziomy sprawności silników elektrycznych określone są w UE rozporządzeniem (WE) nr 640/2009. Rozporządzenie (UE) nr 4/2014 rozszerza zakres silników elektrycznych objętych tymi regulacjami. Technologie silnikowe służące spełnieniu wymagań nowych klas sprawności Wyżej wspomniane rozporządzenia ustanawiają nowe klasy sprawności, których obecne limity dla IE1 (najniższa klasa) do IE3 zaczerpnięto z normy EN Norma EN określa limity dla klasy IE4, które nie zostały ujęte w aktach prawnych. Aby osiągnąć minimalną sprawność przewidzianą dla wielu z tych klas konieczne są zmiany stosowanych technologii silnikowych, jak również wprowadzenie nowych lub usprawnionych technologii silnikowych. W rezultacie użytkownicy mają obecnie do czynienia z różnorodnymi tendencjami na rynku. Muszą również wiedzieć, co oznaczają poszczególne określenia i co poszczególne technologie mają do zaoferowania. Czy każdy silnik jest równie dobry do każdego zastosowania? Klasa sprawności IE5 Norma EN odnosi się również do klasy IE5, ustalając możliwe wartości graniczne dla tej klasy. Jednocześnie wskazuje jednak, że techniczne jej wdrożenie jest bardzo trudne. Z praktycznego punktu widzenia należy zadać sobie pytanie, czy warto ustalać jeszcze surowsze klasy i czy wszystkie drobne usprawnienia dają zauważalne lub mierzalne efekty w konkretnych zastosowaniach. Przewymiarowanie i przesunięcie znamionowej prędkości silnika prowadzą do pracy pod obciążeniem częściowym, co nie zyskuje odzwierciedlenia w klasyfikacji IE, ponieważ opiera się ona na nominalnych punktach pracy. Z tego względu klasa IE5 nie została uwzględniona w niniejszej broszurze podczas omawiania poszczególnych technologii silnikowych. W dużym skrócie Celem tej broszury jest przedstawienie skrótowego przeglądu poszczególnych technologii silnikowych. W przystępny sposób opisano technologie i ich cechy, dziedziny zastosowania, jak również ich zalety i wady. Dzięki temu użytkownicy mogą ocenić poszczególne technologie silnikowe i zadawać producentom podstawowe pytania dotyczące ich zastosowania. W niniejszej broszurze omówiono następujące typy silników: Standardowy silnik indukcyjny Silnik z wirnikiem miedzianym Silnik z magnesami trwałymi Silnik CE (przypadek szczególny) Silnik z magnesami trwałymi o rozruchu bezpośrednim Synchroniczny silnik reluktancyjny Wiele silników i napędów elektrycznych marnuje energię z powodu pracy w nieoptymalnym zakresie. W związku z tym konstruktorzy silników elektrycznych przywiązują coraz większą wagę do optymalizacji skutków środowiskowych pracy niedociążonych regulowanych układów, a w szczególności ich sprawności energetycznej. Fraunhofer Institute for System and Innovation Research (ISI) wskazuje, że silniki elektryczne i związane z nimi układy odpowiadają za 40 procent światowego zużycia energii elektrycznej, a tym samym za emisję 6 miliardów ton CO 2 w skali światowej, co odpowiada 20 procentom łącznej emisji dwutlenku węgla. 4

5 IE2: obowiązkowe IE3: 2015/2017 IE3: obowiązkowe IE2: zalecane IE2: obowiązkowe IE3: 2015/2017 IIE2: obowiązkowe IE3: obowiązkowe IE2: obowiązkowe IE2: obowiązkowe IE2: obowiązkowe IE1: obowiązkowe Przedstawiony wybór obecnie stosowanych i przyszłych warunków minimalnych wskazuje, że sprawność silników elektrycznych jest problemem globalnym. Źródło grafiki mapy świata: Microsoft Obecnie wiele silników jest przewymiarowanych w wyniku stosowania marginesu ostrożności w projektowaniu i planowaniu, a zatem w większości przypadków pracuje pod obciążeniem niższym niż znamionowe. Silniki takie pracują ze zmniejszoną prędkością obrotową i zmniejszonym momentem obrotowym. Kolejnym aspektem zgodności środowiskowej silników elektrycznych jest ich wielkość mechaniczna. Zmniejszenie wymiarów silników zmniejsza ilość materiałów zużywanych podczas produkcji oraz koszty utylizacji. strat na wirniku i/lub stojanie. Jednym ze sposobów osiągnięcia tego celu jest stosowanie w tych podzespołach lepszych materiałów pakietów rdzenia, kolejnym jest stosowanie lepszych przewodników elektrycznych, takich jak miedź w wirnikach klatkowych zamiast tańszego aluminium. Powoduje to jednak zwiększenie poboru prądu, o ile producent nie podejmie odpowiednich środków zaradczych. Oznacza to, że użytkownik musi każdorazowo sprawdzać opłacalność innych wariantów, rozważając wymianę silnika. Straty (%) Straty na wentylatorze i tarciu Straty wynikające z histerezy magnetycznej Straty na prądy wirowe Straty elektryczne na wirniku Straty elektryczne na stojanie ,75 1, , , Moc silnika (kw) Większa sprawność silników Rozporządzenie UE 640/2009 wymusza na producentach silników spełnienie warunków klas sprawności w określonych terminach oraz dostarczania na rynek odpowiadających tym klasom silników (zob. tab. 1). Rodzi to pytanie o sposób poprawy sprawności w celu osiągnięcia i utrzymania wyższych klas sprawności. Jednym z elementów, na których skupiają się producenci jest ograniczenie do minimum Tabela 1 Źródło: Standards for the efficiency analysis of electric motors permanently excited synchronous motor technology, De Almeida, Ferreira and Fong. Moc MEPS Alternatywny MEPS Od 16 czerwca 2011 r. 0, kw IE2 Od 1 stycznia ,75 7,5 kw IE2 7,5 375 kw IE3 IE2 z przetwornicą częstotliwości Od 1 stycznia , kw IE3 IE2 z przetwornicą częstotliwości 5

6 Standardowe trójfazowe silniki indukcyjne siła napędowa przemysłu Trójfazowe silniki indukcyjne, opracowane już w 1889 r. przez AEG, wciąż stanowią główną siłę napędową przemysłu i mają wiele zastosowań. Trójfazowe silniki indukcyjne zyskały na popularności dzięki rozwojowi układów łagodnego rozruchu (softstarterów) i przetwornic częstotliwości. Softstartery znacznie redukują prąd rozruchowy i zwykle łączą silnik bezpośrednio z siecią po zakończeniu procesu rozruchu, a przetwornice częstotliwości umożliwiają precyzyjną i sprawną energetycznie kontrolę prędkości. Dzięki temu silniki te nadają się do optymalizacji procesów sterowania maszynami przemysłowymi, komunalnymi i układami wentylacyjnymi budynków. Technologia Silnik działa na zasadzie siły Lorentza, która wywołuje ruch cząstek obdarzonych ładunkiem elektrycznym w polu magnetycznym. Odpychanie magnetyczne prowadzące do ruchu wirowego powstaje w wyniku oddziaływania pola magnetycznego wytwarzanego w stojanie (nieruchomej części silnika) i wirniku (części ruchomej). Uzwojenie stojana wykonane jest z miedzi, natomiast wirnik posiada zwarte uzwojenie z klatką wykonaną z prętów aluminiowych. Osiągalne klasy IE Norma EN dla silników zakłada, że trójfazowe silniki indukcyjne są dostępne w klasach sprawności od IE1 do IE4 przy zasilaniu bezpośrednio z sieci. Korpusy IEC W celu zwiększenia sprawności producenci często stosują lepsze materiały lub więcej pakietów blach ferromagetycznych w stojanach i wirnikach. W praktyce prowadzi to niekiedy do zwiększenia gabarytów silnika. Jednak wszyscy producenci starają się zachować wymiary montażowe IEC, aby zapewnić zgodność z powszechnie stosowanymi silnikami w starych układach. W związku z tym wymiary montażowe (odległość od podstawy, wysokość wału i średnica wału) zwykle są takie same - różnić się jedynie może w pewnych przypadkach średnica stojana. Praca z przetwornicą częstotliwości Przetwornice częstotliwości zapewniają płynną pracę i optymalne sterowanie prędkością. Problemy w praktyce powstają zwykle tylko wtedy, gdy izolacja silnika nie jest dostosowana do kluczowanego z wysoką częstotliwością napięcia na wyjściu przetwornicy częstotliwości. Aspekty szczególne Przed wymianą silnika w celu zwiększenia sprawności energetycznej użytkownicy powinni sprawdzić, czy jest to rzeczywiście konieczne. Mający 10 lat silnik indukcyjny niekoniecznie ma niską sprawność. Na przykład Danfoss VLT DriveMotor FCM 300, dostępny w szerokim zakresie mocy znamionowej, osiągnął poziom sprawności obecnej klasy IE2 już wówczas kiedy został po raz pierwszy wprowadzony do oferty ponad 10 lat temu i będzie spełniał wymagania prawne do 2017 roku. Jeżeli jednak niezbędna jest wymiana silnika lub w standardowych maszynach produkcyjnych konieczne jest użycie innego silnika, użytkownik powinien sprawdzić, czy wydajniejszy silnik jest zgodny z wymiarami montażowymi IEC lub czy konieczne są zmiany projektowe. Trójfazowy silnik indukcyjny 6

7 Silniki z wirnikiem miedzianym: większa sprawność w standardowych silnikach indukcyjnych Technologia Silniki z wirnikiem miedzianym są w zasadzie standardowymi silnikami indukcyjnymi. Mają taką samą budowę i działają na tej samej zasadzie, lecz zastosowano w nich inny rodzaj materiału wirnika: zamiast zwykle stosowanej klatki aluminiowej wirnik jest wyposażony w klatkę miedzianą. Miedź ma mniejszą rezystancję niż aluminium, co zmniejsza straty w wirniku. Ceną za tę korzyść są większe koszty produkcji. Wysoki punkt topnienia miedzi (około 1100 C) w porównaniu z aluminium (około 660 C) prowadzi do szybszego zużycia osprzętu obrabiarek. Miedź jest ponadto znacznie droższa niż aluminium. Osiągalne klasy IE Silniki te osiągają zazwyczaj sprawność na poziomie IE3 lub IE4. Korpusy IEC Korpus może spełniać wymogi normy IEC do klasy IE4. W wielu przypadkach dostępne są wersje z mniejszym korpusem. Praca z przetwornicą częstotliwości Podobnie jak standardowe silniki indukcyjne, silniki z wirnikiem miedzianym mogą funkcjonować wraz z przetwornicą częstotliwości. Podobnie jak w przypadku standardowych silników indukcyjnych, problemy w praktyce powstają zwykle tylko wtedy, gdy izolacja silnika nie jest przystosowana do kluczowanego z wysoką częstotliwością napięcia na wyjściu przetwornicy częstotliwości. Aspekty szczególne Jeśli chodzi o eksploatację, użytkownicy muszą pamiętać o tym, że silniki z wirnikiem miedzianym często posiadają wyższy prąd rozruchowy, a więc i wyższy moment rozruchowy, ze względu na niższą rezystancję. Należy to uwzględnić w projekcie i podczas wymiany dotychczasowych trójfazowych silników indukcyjnych. W praktyce są przypadki, w których wyższy moment rozruchowy lub szarpnięcia podczas rozruchu prowadzą do uszkodzeń. Poślizg silnika jest również mniejszy ze względu na mniejsze straty. Oznacza to, że prędkość znamionowa jest większa, a wraz z nią prędkość napędzanej maszyny. W zależności od konkretnego zastosowania, może to sprawić, że maszyna będzie napędzana z nieoptymalną sprawnością. Trójfazowy silnik indukcyjny z wirnikiem miedzianym 7

8 Silniki z magnesami trwałymi (PM) Silniki z magnesami trwałymi (PM) stają się coraz bardziej popularne. Technologia ta jest znana i stosowania od dawna, na przykład w serwonapędach. Nowością jest to, że silniki PM spełniają standardy IEC ze względu na stosunkowo wysoką sprawność. Technologia W odróżnieniu od trójfazowych silników indukcyjnych, silniki z magnesami trwałymi (jak wskazuje nazwa) nie posiadają uzwojeń wirnika, natomiast posiadają magnesy trwałe, zamontowane na powierzchni albo w głębi wirnika. W najprostszym przypadku stojan ma taką samą formę, jak silnik indukcyjny, ale producenci silników pracują również nad zoptymalizowanymi konstrukcjami. Silniki PM są maszynami synchronicznymi, co oznacza, że nie ma poślizgu pomiędzy wirującymi polami wirnika i stojana, jak ma to miejsce w trójfazowych silnikach indukcyjnych. Niezbędne namagnesowanie wirnika pochodzi od magnesów trwałych, bez żadnych związanych z tym strat. Dzięki temu ogranicza się straty na wirniku i zwiększa sprawność silnika. Silniki PM mają znacznie większą sprawność niż silniki indukcyjne podczas pracy przy zmniejszonej prędkości. Osiągalne klasy IE W praktyce obecne silniki PM osiągają poziom sprawności pomiędzy IE3 i IE4. Korpusy IEC W porównaniu z silnikami indukcyjnymi o podobnej sprawności (np. IE3), silniki PM mogą być znacznie mniejsze. Praca z przetwornicą częstotliwości Silniki mogą pracować z przetwornicami częstotliwości bez żadnych problemów. W istocie wręcz zawsze potrzebują sterownika elektronicznego, aby mogły działać. Aspekty szczególne Istotną wadą silników PM jest konieczność stosowania przetwornic częstotliwości lub sterownika. Sterownik musi również otrzymać sygnał zwrotny o położeniu, aby zoptymalizować pole magnetyczne do położenia magnesów trwałych i wygenerować obroty. Dlatego też systemy te często wyposażone są w enkodery. Są jednak producenci (w tym Danfoss), którzy oferują silniki PM pracujące bez enkodera. Dwiema kolejnymi wadami tych silników są: ryzyko rozmagnesowania przy wysokim natężeniu prądu i wysokiej temperaturze, co jednak w praktyce zdarza się rzadko. Problemem jest również serwisowanie ze względu na silne magnesy w wirniku, demontaż wirnika ze stojana jest trudny i wymaga użycia specjalnych narzędzi. Ewolucja cenowa silników PM Do produkcji magnesów niezbędne są pierwiastki ziem rzadkich, a ich ceny w ostatnim dziesięcioleciu rosły ze względu na duży popyt i małą podaż. Jednak w ostatnich dwóch latach ich ceny zaczęły znacznie spadać, po części dzięki eksploatacji nowych kopalń tych surowców. Silnik PM z magnesami wbudowanymi 8 Silnik PM z magnesami na powierzchni

9 9

10 Silnik z magnesami trwałymi (PM) o rozruchu bezpośrednim Technologia Silnik PM o rozruchu bezpośrednim jest hybrydowym połączeniem trójfazowego silnika indukcyjnego i silnika PM. Posiada wirnik klatkowy, ma też jednak magnesy wbudowane pod klatką. Sprawia to, że konstrukcja wirnika jest złożona, co zwiększa koszt silnika. Ma on jednak znaczną przewagę nad zwykłymi silnikami PM: może pracować bezpośrednio z sieci zasilającej bez pośrednictwa sterownika. Uzwojenie klatki jest aktywne w fazie rozruchowej. Po rozpędzeniu silnika do prędkości określonej przez częstotliwość zasilania, zaczyna pracować synchronicznie i osiąga tę samą wysoką sprawność, co silnik PM. Osiągalne klasy IE Przy zasilaniu z sieci silniki PM o rozruchu bezpośrednim osiągają sprawność na poziomie pomiędzy IE3 i IE4. Korpusy IEC Dostępne typy są zgodne z normą IEC. Występują również konstrukcje mniejsze. Praca z przetwornicą częstotliwości Wszystkie silniki PM o rozruchu bezpośrednim mogą współpracować z przetwornicami częstotliwości. Należy jednak zauważyć, że w przypadku pracy z przetwornicami częstotliwości sprawność jest zazwyczaj mniejsza o 5 do 10 procent. Wynika to z efektu tłumienia przez uzwojenie klatki. Aspekty szczególne Pierwsza wada widoczna jest podczas rozruchu: silnik przez krótką chwilę może pracować wstecz. Ten naprzemienny moment obrotowy podczas rozruchu obecny jest również w silnikach indukcyjnych pracujących z sieci zasilającej, ale w silnikach PM o rozruchu bezpośrednim jest znacznie silniejszy. Naprzemienny moment wywołuje piki momentu od 7 do 17 razy większe od momentu znamionowego. Pomimo to silnik nie może ruszyć przy znacznym obciążeniu i posiada słabą charakterystykę dynamiczną. Spadki napięcia i szarpnięcia pod obciążeniem mogą sprawić, że silnik wypadnie z synchronizacji, a zatem będzie pracował z mniejszą sprawnością. Silnik pracuje z prędkością synchroniczną podczas zasilania z sieci, co wywołuje przesunięcie prędkości roboczej odbiornika. Kwestie związane z pierwiastkami ziem rzadkich dotyczą również tego silnika, ponieważ również w nim wykorzystuje się magnesy trwałe. Silnik PM o rozruchu bezpośrednim, magnesami wbudowanymi i klatką wirnika 10

11 Synchroniczne silniki reluktancyjne W synchronicznych silnikach reluktancyjnych wykorzystuje się technologię znaną od dawna. W przeszłości były one optymalizowane pod względem momentu obrotowego lub wielkości korpusu, jednak obecnie nacisk w projektowaniu kładzie się sprawność energetyczną. Technologia Silniki te wykorzystują siłę reluktancji, która wynika ze zmian oporu magnetycznego. Obecnie specjalnie zaprojektowane wycięcia w wirniku prowadzą linie pola magnetycznego wewnątrz wirnika w celu wytworzenia momentu reluktancyjnego z wysoką sprawnością. Obecnie dostępne są wersje synchronicznych silników reluktancyjnych z funkcją rozruchu bezpośredniego. Podobnie jak silniki PM o rozruchu bezpośrednim, posiadają one dodatkowe uzwojenie zwarte. Silniki te charakteryzują się bardzo dużą sprawnością. Jednak w przypadku pracy z przetwornicą częstotliwości sprawność spada o 5 do 10 procent (podobnie jak w przypadku silnika PM o rozruchu bezpośrednim) ze względu na efekt tłumienia. Osiągalne klasy IE Osiągana w praktyce sprawność sięga od IE2 do IE4, nawet w przypadku nowych konstrukcji, jednak jest bliższa IE2 na stosunkowo niskim poziomie mocy. Silniki te osiągają sprawność IE4 dopiero przy mocy rozpoczynającej się od około 11 do 15 kw. Posiadają również bardzo dobrą charakterystykę przy niskich prędkościach przy tym poziomie mocy i powyżej niego. Korpusy IEC Dostępne typy są zgodne z normą IEC. Występują również mniejsze korpusy. Praca z przetwornicą częstotliwości Synchroniczne silniki reluktancyjne również wymagają do pracy przetwornicy częstotliwości, z wyjątkiem wersji directon-line (DOL), która może pracować podłączona bezpośrednio do sieci zasilającej. Wariant do rozruchu bezpośrednio z sieci W silnikach PM o rozruchu bezpośrednim producent łączy zasadę działania synchronicznego silnika reluktancyjnego z wirnikiem klatkowym stosowanym w maszynach asynchronicznych. W tym celu wypełnia się przestrzenie w wirniku aluminiowymi prętami i zwiera się je na obu końcach. W ten sposób silnik może być uruchamiany bezpośrednio z sieci, ale również zapewnia większy współczynnik mocy przy prędkości znamionowej. Wadą jest to, że dodatkowe tłumienie pochodzące od uzwojenia klatki powoduje wyższe straty na falowniku. Aspekty szczególne Specjalne dla tego typu silników wycięcia w pakietach blach wirnika zmniejszają współczynnik mocy, co prowadzi do przewymiarowania mocy znamionowej dla określonych warunków pracy o jedną lub dwie klasy, w zależności od typu przetwornicy częstotliwości. Obecnie nie są znane żadne warunki niestabilności wynikające z konstrukcji wirnika. Należy brać pod uwagę wcześniej wspomniane ograniczenia co do sprawności związane z mocą oraz pracą w warunkach obciążenia częściowego. Synchroniczny silnik reluktancyjny 11

12 Silniki EC W praktyce stosuje się wiele różnych rodzajów silników EC (komutowanych elektronicznie), takie jak małe serwomotory z mocą znamionową kilku watów lub silniki w systemach automatyki budynkowej. Cieszą się w pełni zasłużoną opinią bardzo wysokiej sprawności, szczególnie w przypadku bardzo małych napędów, które były pierwotnym zastosowaniem tych silników, ponieważ są one tam znacznie lepsze od silników uniwersalnych lub o biegunach dzielonych (sprawność około 30%). Technologia Podobnie jak w przypadku silników PM, wirnik wyposażony jest w magnesy, a w stojanie znajduje się uzwojenie wzbudzenia. Silniki EC zbudowane zgodnie z koncepcją pierwotną pracują z komutowanym napięciem prądu stałego. Dlatego też nazywane są silnikami bezszczotkowymi prądu stałego (BLDC Brushless DC) lub silnikami komutowanymi elektronicznie (ECM - Electronically Commutated Motors). Jeśli chodzi o technologię, silniki BLDC są silnikami prądu zmiennego, więc określenie BLDC może być nieco mylące. W celu zniwelowania wad koncepcji BLDC, takich jak stosunkowo wysokie prądy fazowe i tętnienie momentu obrotowego, producenci opracowali lepsze algorytmy sterowania. Są już na przykład dostępne algorytmy bezczujnikowe. W automatyce budynkowej, silniki EC różnią się wcześniej przedstawionych silników PM głównie konstrukcją jako silniki z wirnikiem zewnętrznym, na przykład silniki wentylatorów. Osiągalne klasy IE Sprawność obecnych na rynku silników EC sięga od IE2 do IE4, w zależności od modelu. Korpusy IEC Silniki EC zgodne z normą IEC są stosunkowo rzadkie. Silniki EC stosunkowo dużej mocy (powyżej kilkuset watów) są stosowane głównie w wentylatorach i dmuchawach. Praca z przetwornicą częstotliwości Silniki EC zawsze wymagają sterowników elektronicznych, niezależnie od tego, czy pracują zgodnie z koncepcją pierwotną, czy zoptymalizowaną. Typowe zastosowania Silniki EC są często stosowane w wentylatorach i dmuchawach w instalacjach budynkowych, zwykle w postaci silników z wirnikiem zewnętrznym oraz jako serwomotory o stosunkowo niskiej mocy znamionowej. Aspekty szczególne Określenie silnik EC używane jest często do wyrażenia bardzo różnych koncepcji. Użytkownikom trudno jest odróżnić konwencjonalne silniki BLDC od typów ulepszonych o wyższej sprawności, które są podobne do silników PM. Ze względu na użycie magnesów stałych, silniki EC podlegają tym samym problemom dotyczącym pierwiastków ziem rzadkich co silniki PM. 12

13 Podsumowanie Jak wynika z przedstawionych opisów różnych typów silników, wymagania prawne i rynkowe w zakresie większej sprawności znacznie pobudziły rozwój rynku silników. Na rynku rywalizują ze sobą i konkurują o względy użytkowników silniki różnych typów, w których stosowane są konwencjonalne, jak i nowe technologie. Bardzo pasjonująca będzie obserwacja, która technologia lub które technologie zyskają w długim okresie. Ewolucja silników bynajmniej nie jest zakończona. Na przykład producenci eksperymentują z ferrytami zamiast konwencjonalnych magnesów. Wyniki pierwszych prób są bardzo obiecujące. Z punktu widzenia użytkownika istotne jest dokładne przyjrzenie się każdej opcji w celu stwierdzenia, czy warto stosować silniki wysokosprawne. Na przykład IE4 nie zawsze jest dobrym rozwiązaniem ze względu na wysoki koszt lub, w przypadku zastosowań z wieloma cyklami obciążenia, większą bezwładność. Należy też pamiętać, że pewne wspomniane wady dotyczące różnych silników można złagodzić, stosując środki optymalizacyjne, takie jak kształtowanie parametrów rozruchowych silników PM o rozruchu bezpośrednim. Takie działania pociągają jednak za sobą z kolei inne wady. Celem niniejszej broszury jest ułatwienie użytkownikom rozmów z producentami prowadzącymi do wspólnego znalezienia lub opracowania najlepszych rozwiązań napędowych dla danego zastosowania. Silnik DASM IE3/IE4 IE3 lub powyżej Brak trudności Prawie wszystkie Motor Achievable czasami trudne efficiency IEC type Frequency converter zastosowania operation Applications DASM IE3/IE4 Zgodny. Brak trudności Prawie wszystkie z wirnikiem Może IE3 być or above zastosowania miedzianym DASM IE3/IE4 również sometimes No difficulties Nearly all applications. mniejszy difficult PM IE3/IE4 Zgodny. Zawsze potrzebny sterownik. Prawie wszystkie DASM Może with Compatible. być Niektóre przetwornice zastosowania copper IE3/IE4 również Can also be częstotliwości No difficulties wymagają Nearly all applications. mniejszy. rotor smaller. informacji zwrotnej o położeniu. Wyższa sprawność przy mniejszych prędkościach Always needs w a porównaniu controller. Compatible. z trójfazowym Some frequency indukcyjnym converters PM IE3/IE4 Can also be need position feedback. Nearly all applications. LSPM IE3/IE4 Zgodny. smaller. Możliwa. Better efficiency Sprawność at low Rozruch niemożliwy pod Może być o speeds około 5 than do 10% DASM. mniejsza dużym obciążeniem, również niż w przypadku pracy słabe parametry mniejszy bezpośrednio z sieci dynamiczne, Cannot start problemy under z zasilaniem Compatible. Possible. Efficiency heavy load, z low sieci miękkiej LSPM IE3/IE4 Can also be approximately 5 to 10% lower dynamic i szarpnięciami performance, pod smaller. than mains operation. problems obciążeniem with weak mains supplies and load EC IE3/IE4 Nie Zawsze potrzebny sterownik Niska jerks. moc, wentylatory EC, serwosilniki EC IE3/IE4 No Always needs a controller SynRM Osiągalna sprawność IE2 IE4 Typ IEC SynRM IE2 IE4 Zgodny. Może być również mniejszy Compatible. Can also be smaller. Praca z przetwornicą częstotliwości Zawsze potrzebny sterownik. Większa Always sprawność needs a controller. przy mocy powyżej Better efficiency około at power kw; porównywalna levels above approximately z PM przy stosunkowo kw; comparable niskich obrotach. to Często PM at potrzebny relatively low większy speeds. FC Larger ze względu FC often na necessary niski due współczynnik to poor power mocy factor. Zastosowania Low power, EC fans, servo motors Obecnie głównie pompy i wentylatory od około 11 At do present 15 kw mainly pump and fan applications starting at roughly 11 to 15 kw. Uwagi IE3/IE4 może nie być zgodny z wymiarami montażowymi IEC Comments Częste skoki momentu obrotowego podczas rozruchu. Należy uwzględnić podczas IE3/IE4 projektowania may not conform i modernizacji to IEC mounting układu dimensions. Okresowo wyższe ceny niezbędnych pierwiastków Torque jerk common ziem rzadkich. during starting. Obecne Must be tendencje taken into cenowe account malejące in system design and for retrofitting. Occasional high prices for required rare earth elements. Current price trend Bardzo downward. wysoka sprawność silnika, jeżeli ograniczenia są akceptowalne w danym zastosowaniu. Problemy związane z pierwiastkami ziem rzadkich podobnie jak w przypadku silnika PM Very good motor efficiency if the limitations are acceptable in the application. Rare earth issues similar to PM motor. Większa sprawność niż w innych technologiach przy stosunkowo niskiej mocy (poniżej 750 W). Sprawność układu jest Higher często efficiency redukowana than w other wentylatorach technologies odśrodkowych at relatively low z silnikiem power (below zintegrowanym 750 W). z piastą System wentylatora. efficiency is Problemy often degraded związane in z pierwiastkami centrifugal fan ziem designs rzadkich with the podobnie motor jak integrated w przypadku in the silnika fan hub. PM Rare earth issues similar to PM motor. Wciąż stosunkowo duża nowość na rynku. Obecnie zalety widocznie głównie w zakresie powyżej kw Motors still relatively new on the market. Advantages primarily in the region above kw at present. DASM PM LSPM EC SynRM FC trójfazowy silnik indukcyjny z magnesami trwałymi o rozruchu bezpośrednim komutowany elektronicznie synchroniczny reluktancyjny przetwornica częstotliwości 14

14 Praca silnika z przetwornicą częstotliwości. Możliwości, sprawność, optymalizacja Po co stosować przetwornice częstotliwości? Stosowanie silników o większej sprawności wprowadza nowy aspekt do rozważań na temat stosowania przetwornic częstotliwości. Po pierwsze, sterowanie prędkością możliwe dzięki przetwornicy częstotliwości daje ogromne możliwości zmniejszenia zużycia energii i kosztów. Po drugie, niektóre technologie silnikowe mogą być stosowane tylko wraz z tą techniką. Które silniki nadają się do pracy z przetwornicą częstotliwości? Największe obciążenie dla silnika pochodzi od pulsującego napięcia na wyjściu przetwornicy częstotliwości, które przetwornica wykorzystuje do modelowania napięcia wyjściowego. Wysoka stromość narastania napięcia wyjściowego stanowi obciążenie dla układu izolacyjnego silnika. Przez ostatnie lat obciążenie to nie stanowiło rzeczywistego problemu, ponieważ nowoczesne izolacje wytrzymują piki napięcia. Kiedy jednak stosowane są starsze silniki, obciążenie, jakim poddawane są zezwoje, może prowadzić do awarii, o ile nie zostaną zastosowane odpowiednie filtry wyjściowe na przetwornicy częstotliwości. W takim przypadku zaleca się filtry du/dt lub filtry sinusoidalne do redukcji pików napięcia i ochrony izolacji. Obciążenie termiczne Dzięki korektom w sterowaniu wiele nowoczesnych przetwornic częstotliwości, takich jak te oferowane przez Danfoss, jest w stanie zapewnić zadane napięcie wejściowe na wyjściu. Nagrzewanie się silników standardowych (do rozmiaru korpusu 315) leży wówczas w zakresie dodatkowego nagrzewania powodowanego przez tolerancje wahań sieciowych, jest zatem pomijalne. Na przykład w przypadku przetwornic częstotliwości ze złączem DC o małej pojemności, które nie jest w stanie wygenerować pełnego napięcia sieciowego przy częstotliwości nominalnej sieci, zaleca się izolację silnika klasy F, ponieważ temperatura silnika może wzrosnąć o wartość do 10 K. Obciążenie łożyska Niekorzystne warunki (w zakresie napięcia sieci, uziemienia, ekranowania itd.) mogą doprowadzić do awarii łożysk wywołanych przez prądy łożyskowe w silnikach ze sterowaniem częstotliwości (zwykle wyłącznie w przypadku korpusu od 132 wzwyż). Może to następować na przykład poprzez wyładowywanie prądów do powłoki smarnej łożyska, które odbywa się impulsowo i z czasem uszkadza łożysko. Proste środki (dobre złącze uziemiające, ekranowane przewody silnika, izolowane łożyska, specjalne smary ) redukują prądy łożyskowe, a tym samym ryzyko awarii. Projekt układu napędowego Podczas łączenia przetwornicy częstotliwości z silnikiem wstępną orientację zapewniają dane o mocy w kw. Do pełnego dostrojenia trzeba jednak jeszcze dopasować niezbędne prądy lub moce pozorne (dotyczy to w szczególności synchronicznych silników reluktancyjnych!). Ważne jest, by przetwornica częstotliwości była w stanie obsługiwać przeciążenia niezbędne w danym zastosowaniu. Wynoszą one zwykle 110% w przypadku wentylatorów i pomp oraz 160% w przypadku przenośników taśmowych lub podnośników. Optymalizacja Jeżeli stosowana jest przetwornica częstotliwości o jeden rozmiar większa niż potrzebna do danego zastosowania, na przykład w celu obsługi większego przeciążenia, nie ma to negatywnego wpływu na zużycie energii, ze względu na wyższą sprawność większej przetwornicy. Inaczej jest w przypadku silnika, ponieważ przewymiarowanie ma znacznie poważniejsze skutki. W zależności od konstrukcji silnika, sprawność w punkcie pracy danego zastosowania może być nawet większa niż przy obciążeniu pełnym w przypadku wyboru większego silnika. Przetwornice częstotliwości, w których wykorzystuje się metody sterowania dostosowane do technologii silnikowej zapewniają idealne namagnesowanie podczas pracy, między innymi pod obciążeniem niepełnym. Dotyczy to również (mocno) zmiennych obciążeń. Na przykład w przetwornicach częstotliwości firmy Danfoss do silników PM stosuje się koncepcję MTPA (maksymalnego ilorazu momentu elektromagnetycznego i prądu stojana), która zapewnia największą z możliwych sprawność silnika każdej konstrukcji. Więcej informacji Większość standardowych silników trójfazowych na rynku pracuje bez żadnych problemów z nowoczesnymi przetwornicami częstotliwości. W procesie wyboru i instalacji użytkownicy powinny uwzględniać charakterystykę poszczególnych technologii. Jednak nie będzie to stanowiło dużego problemu dla profesjonalistów. Powyżej przedstawiono wprowadzenie do tego tematu. Więcej informacji o projektowaniu bezpiecznych i sprawnych rozwiązań napędowych można uzyskać w praktycznych instrukcjach planowania firmy Danfoss. 15

15 Wszystko o o VLT Danfoss VLT Drives jest światowym liderem w w produkcji elektronicznie regulowanych napędów, stosowanych w każdym obszarze działalności przemysłowej. Danfoss ciągle ciągle zwiększa swoje swoje udziały rynkowe w sprzedaży napędów. Z dbałością Z o środowisko dbałością o środowisko Produkty z pod marki VLT wytwarzane są z uwzględnieniem Produkty norm środowisk z pod marki społecznych VLT wytwarzane oraz są środowiska z uwzględnieniem naturalnego. norm Wszystkie środowisk społecznych plany i działania oraz producenta środowiska biorą naturalnego. Wszystkie pod uwagę plany potrzeby i działania indywidualnych producenta biorą pracowników, pod uwagę środowiska potrzeby pracy indywidualnych pracowników, i środowiska przyrody. środo wiska Produkcja pracy i środowiska odbywa przyrody. się bez hałasu, Produkcja dymów odbywa lub się bez hałasu, innych zanieczyszczeń. dymów lub innych zanieczyszczeń. UN Global Compact UN Global Compact Danfoss Danfoss parafując parafując UN UN Global Global Compact Compact zobowiązał zobowiązał się się w swojej swojej działalności działalności kierować kierować się się zasadami zasadami z zakresu zakresu praw praw człowieka, człowieka, praw praw pracowniczych, pracowniczych, ochrony środowiska ochrony środowiska i przeciwdziałania i przeciwdziałania korupcji. Global korupcji. Compact Global Compact promuje promuje społeczną odpowiedzialność społeczną odpowiedzialność biznesu. biznesu. Dyrektywy Europejskie EU Dyrektywy Europejskie EU Wszystkie Wszystkie fabryki fabryki Danfoss Danfoss VLT VLT Drives Drives są certyfikowane są certyfikowane wg wg ISO ISO i spełniają i wymagania spełniają wymagania europejskich europejskich dyrektyw dotyczących dyrektyw dotyczących bezpieczeństwa bezpieczeństwa produktów (GPSD) produktów oraz (GPSD) dyrektywy oraz maszynowej. dyrektywy Danfoss maszynowej. VLT Drives Danfoss we wszystkich VLT Drives we wytwarzanych wszystkich wytwarzanych produktach produktach zapewnia Zgodność zapewnia Zgodność z RoHS Dyrektywą z RoHS EU o ograniczeniu Dyrektywą EU użycia o ograniczeniu substancji użycia niebezpiecznych. substancji niebezpiecznych. Wszystkie nowe produkty Wszystkie spełniaja nowe produkty także wymagania spełniają także dyrektyw europejskich wymagania dyrektyw dotyczących europejskich kontroli dotyczących kontroli wycofanych wycofanych z użycia urządzeń elektrycznych i elektronicznych (WEEE). z użycia urządzeń elektrycznych i elektronicznych (WEEE). Wpływ produktów Wpływ produktów Wyprodukowane ciągu jednego roku Wyprodukowane w ciągu jednego roku napędy VLT zaoszczędzą w aplikacjach napędy VLT zaoszczędzą w aplikacjach tyle energii ile tym samym czasie tyle energii ile w tym samym czasie wyprodukuje jedna elektrownia atomowa. wyprodukuje jedna elektrownia Lepsza kontrola procesu wytwarzania to atomowa. Lepsza kontrola procesu także wyższa jakość produktów i mniej wytwarzania to także wyższa jakość odpadów. produktów i mniej odpadów. Specjalizacja napędach Specjalizacja w napędach Specjalizacja jest kluczowym słowem Specjalizacja Danfoss od jest roku kluczowym 1968, kiedy słowem to jako pierwsza w Danfoss firma od roku na 1968, świecie kiedy rozpoczął to jako masową pierwsza produkcję firma na świecie przetwornic rozpoczął częstotliwości masową produkcję urządzeń przetwornic do płynnej regulacji prędkości częstotliwości obrotowej urządzeń silni do ków płynnej prądu przemiennego. regulacji prędkości obrotowej silników Już prądu wówczas przemiennego. nadano im nazwę VLT. Już wówczas nadano im nazwę VLT. Obecnie ponad dwa tysiące osób pracuje przy rozwoju, produkcji, Obecnie ponad dwa tysiące osób pracuje sprzedaży i serwisowaniu przetwornic częstotliwości przy rozwoju, produkcji, oraz softstartów sprzedaży i nic więcej i serwisowaniu tylko przetwornice częstotliwości częstotliwości oraz softstartów i softstarty. i nic więcej tylko przetwornice częstotliwości i softstarty. Inteligentna i innowacyjna Inżynierowie Inteligentna Danfoss i innowacyjna VLT Drives opracowali Inżynierowie i Danfoss wykorzystali VLT Drives koncepcję opracowali modułową i wykorzystali napędu koncepcję na każdym modułową etapie jego napędu wdrożenia, na każdym począwszy etapie jego od wdrożenia, projektu urządzenia począwszy od przez projektu proces urządzenia produkcji, przez aż do finalnej konfiguracji zamówienia. proces produkcji, aż do finalnej konfiguracji Przyszłe zamówienia. opcje są rozwijane z wykorzystaniem zaawansowanych techno logii. Pozwala Przyszłe opcje to na są rozwój rozwijane wszystkich elementów z wykorzystaniem w tym zaawansowanych samym czasie, redukując techno logii. czas Pozwala oczekiwania to na rozwój i zapewniając wszystkich klientom elementów możliwość w tym korzystania samym z najnowszych czasie, redukując funkcji. czas oczekiwania i zapewniając klientom możliwość korzystania z najnowszych funkcji. Polegamy na ekspertach Polegamy na ekspertach Bierzemy odpowiedzialność za każdy Bierzemy element odpowiedzialność w naszej produkcji. za Fakt, każdy element że sami w rozwijamy naszej produkcji. i produkujemy Fakt, że sami rozwijamy hardware, i software, produkujemy moduły hardware, mocy, software, płytki drukowane moduły mocy, elektroniki płytki drukowane i akcesoria elektroniki daje Państwu i akcesoria gwarancję, daje Państwu że otrzymacie najwyższej że otrzymacie jakości, najwyższej niezawodny gwarancję, jakości, produkt. niezawodny produkt. Lokalne wsparcie globalnie dostępne globalnie dostępne Danfoss VLT Drives, dzięki globalnej Danfoss organizacji VLT Drives, sprzedaży dzięki i serwisu globalnej jest organizacji obecny i oferuje sprzedaży swoje i serwisu produkty jest obecny oraz i usługi oferuje w swoje ponad produkty 100 krajach. oraz usługi w ponad 100 krajach. Napędy VLT pracują w aplikacjach Napędy na całym VLT świecie, pracują a w eksperci aplikacjach Danfoss na całym VLT Drives świecie, kończą a eksperci swoją Danfoss pracę tylko VLT Drives kończą wtedy, swoją kiedy pracę problemy tylko wtedy, klientów kiedy problemy zostają rozwiązane. klientów zostają rozwiązane. Danfoss Sp. z o.o., ul. Chrzanowska Grodzisk Mazowiecki Telefon: (48 22) Telefax: (48 22) info@danfoss.pl Kontakt z serwisem Telefon: (0 22) Hotline: (0 22) Telefax: (0 22) VLT_drives_support@danfoss.pl DKDD.PB.101.E1.49 VLT is a trademark of Danfoss A/S Produced by PE-MMSC