Odpowiedni napęd maszyn przemysłowych to jedna z gwarancji ich możliwie długiej i efektywnej pracy. Każdy przestój maszyny może sporo kosztować, ograniczenie awaryjności od lat należy do głównych celów konstruktorów poszczególnych rozwiązań. Wyzwanie dla twórców systemów napędowych i sterowania stanowi nie tylko bezawaryjność jednostek, ale też możliwie niewielki apetyt na paliwo. Silniki stosowane w napędach elektrycznych stanowią od kilku lat priorytetowe zagadnienie i to nad optymalizacją ich parametrów pracują inżynierowie, projektanci i producenci silników. Jedną z pożądanych cech współczesnych napędów jest energooszczędność.

Co w istocie oznacza to pojęcie? Specjaliści z firmy STERNET przypominają szacunkowe dane mówiące o tym, że w Unii Europejskiej 65 proc. energii elektrycznej zużywanej przez przemysł wykorzystywane jest przez systemy napędowe. Dlatego obniżenie energochłonności napędów jest sprawą kluczową dla zmniejszenia kosztów produkcji w wielu przedsiębiorstwach. Efektywność układów napędowych można poprawiać, i to w wielu elementach. Jeśli chodzi obniżenie kosztów energii, najprostszym rozwiązaniem jest wymiana silnika na napęd o wyższej klasie sprawności. Nieco bardziej skomplikowaną metodą, ale i mającą o wiele większy potencjał, jest ingerencja w cały układ napędowy. Obejmuje m.in. wprowadzenie sterowania silnikiem, rozważenie zastosowania silnika innej mocy, zmianę rozruchu i układu przeniesienia mocy. Pozwala na oszczędność nawet do 50 proc. zużywanej dotychczas energii, a czas zwrotu wynosi mniej niż pół roku. Jeśli chodzi o obniżenie kosztów eksploatacji, to – co zaznaczają inżynierowie firmy STERNET – korzyści wynikające z obniżenia awaryjności napędów niejednokrotnie znacznie przekraczają zyski z oszczędności energii. Dlatego w planowaniu inwestycji ważne jest oszacowanie znaczenia danego napędu dla pracy zakładu i możliwe straty w wyniku jego awarii. Nowe, wysokosprawne silniki elektryczne charakteryzują się relatywnie niską awaryjnością ze względu na mniejszą ilość generowanego ciepła. Niższa temperatura pracy przekłada się na lepsze warunki pracy izolacji uzwojeń i łożysk, a tym samym na dłuższą ich żywotność. Wykorzystanie dostępnych dofinansowań – najczęstszą barierą uniemożliwiającą przeprowadzenie modernizacji układów napędowych jest brak środków lub niewystarczająca ilość środków finansowych przeznaczonych na inwestycje.

Energooszczędny, czyli jaki?

Adam Depta, Inżynier produktu, Lenze Polska, podkreśla, jak istotne znaczenie dla sprawności energetycznej silnika asynchronicznego mają straty w wirniku, które można zmniejszyć, ograniczając poślizgpoprzez zwiększenie masy przewodów wirnika (prętów i pierścieni zwierających) oraz zwiększenie ich przewodności. Dodatkową poprawę sprawności zyskuje się, zwiększając całkowity strumień magnetyczny w szczelinie powietrznej pomiędzy stojanem a wirnikiem. Miedziane elementy o wysokim poziomie przewodności elektrycznej zastępują aluminiowe podzespoły przewodzące wirnika. W synchronicznych silnikach reluktancyjnych wykorzystuje się 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. Zdaniem naszego rozmówcy mianem energooszczędnego można określić napęd, który zużywa jak najmniej energii elektrycznej, zapewniając wszystkie niezbędne parametry procesu technologicznego, w którym został zastosowany.

–Aby napęd można nazwać energooszczędnym, przede wszystkim musi umożliwiać dwustronny przepływ energii elektrycznej, tzn. energia hamowania nie powinna być wytracana na ciepło w rezystorach hamujących, ale zwracana do sieci zasilającej. Ważny jest też zoptymalizowany algorytm sterowania pod kątem konkretnego zastosowania – dodaje Zbigniew Gołębiewski, Konstruktor – kontroler ds. jakości, TWERD – Zakład Energoelektroniki.

W firmie NORD Napędy podkreślają, że tam, gdzie w przemyśle stosuje się rozwiązania wymagające napędów, silniki odpowiadają za aż 70 proc. zużycia energii. Określono, że potencjał poprawy sprawności systemów z napędami elektrycznymi to 20–30 proc. NORD od lat wdraża nowe technologie poprawiające sprawności oferowanych silników. Powszechnie wiadomo, że największym źródłem strat energetycznych w silnikach są straty wiroprądowe w pakietach blach, z których konstruuje się stojan oraz wirnik oraz straty w uzwojeniach. – W pierwszej fazie obowiązywania dyrektywy energooszczędnej podczas migracji z wykonań określonych cechą IE1 do IE2 wprowadzono cieńsze i lepsze z punktu widzenia parametrów magnetycznych pakiety blach wirnika i stojana. Zoptymalizowano również budowę uzwojeń i zwiększono ilość miedzi w uzwojeniach. W niektórych przypadkach wydłużono pakiet czynny wirnika. W kolejnym etapie wymogów dyrektywy (lata 2015–2017) dla wykonań IE3 wprowadzono dalsze modyfikacje w budowie obejmujące obwód magnetyczny oraz szerokość szczeliny powietrznej- usłyszeliśmy w NORD Napędy.

Przede wszystkim wiedzieć

A. Depta (Lenze Polska) przekonuje, że w dobie wzrostu kosztów energii oraz wymogów prawnych (obowiązkowe audyty energetyczne) menadżerowie produkcji coraz częściej przejawiają zainteresowanie problemem energooszczędności maszyn.

Również w firmie NORD Napędy potwierdzają, że wzrosła świadomość rynku i użytkownicy napędów przemysłowych zauważalnie zwiększyli swoje predyspozycje co do minimalizacji konsumpcji energii zużywanej przez silniki. Silniki asynchroniczne z racji swojej budowy i właściwości charakteryzują się zmiennym współczynnikiem sprawności w funkcji obciążenia. Sprawność jest największa wtedy, gdy silnik pracuje z obciążeniem bliskim nominalnemu. Tymczasem szereg układów napędowych jest wykorzystywanych lub zaprojektowanych tak, że przez znakomitą większość czasu pracuje w stanie dużego niedociążenia. Prąd płynący przez uzwojenia silnika składa się z dwóch składowych: pierwszej – odpowiedzialnej za wytwarzanie pola magnetycznego w silniku oraz drugiej – odpowiadającej za generowanie momentu obrotowego. Pierwsza składowa nie zależy od obciążenia, więc udział strat w obwodzie magnetycznym jest z grubsza stały. Stąd duża rozbieżność w sprawności silnika obciążonego w pełni i zaledwie w części.

Układ energooszczędny

Zakład Energoelektroniki TWERD jest polskim producentem zaawansowanych układów energoelektronicznych, w tym przemienników częstotliwości, tzw. falowników. Oferuje typowe rozwiązania z wytracaniem energii w rezystorach hamujących w układach MFC710 i MFC1000 oraz droższe, ale energooszczędne układy MFC710/AcR i MFC1000/AcR, które umożliwiają przesył energii hamowania do sieci zasilającej. – Układy te ponadto, dzięki zastosowaniu mostka aktywnego od strony sieci zasilającej, wprowadzają zdecydowanie mniejsze odkształcenia prądu i napięcia do sieci zasilającej – tłumaczy Z. Gołębiewski (TWERD – Zakład Energoelektroniki).

Lenze Polska w zakresie energooszczędności proponuje szereg różnorodnych działań: optymalny dobór elementów systemu napędowego przy pomocy programu Drive Solutions Designer, dokładną analizę systemu napędowego – dostarczanie tylko tyle energii elektrycznej, ile wynika z zapotrzebowania procesu technologicznego, wybór optymalnych profili ruchu, wykorzystanie energii hamowania do napędu silnika, wykorzystanie modułów zwrotu energii do sieci, wykorzystanie modułów kondensatorowych w obwodach DC dla krótkotrwałego przechowywania energii hamowania, reduktory walcowe, stożkowe, płaskie i planetarne (o sprawności powyżej 94 proc.), silniki synchroniczne, silniki Smart, pozwalające na optymalizację pracy systemów intralogistycznych, przemienniki częstotliwości posiadające funkcje sterowania silnikiem asynchronicznym U/f Eco, pozwalające na uzyskanie maksymalnej efektywności silnika niezależnie od jego obciążenia.

Firma NORD Napędy ma natomiast w ofercie np. silniki IE4, określane jako silniki PMSM. Jest to koncepcja, w której myśl pole magnetyczne w silniku konieczne do tego, aby silnik wytwarzał moment obrotowy, nie pochodzi z przepływu prądu magnesującego, ale jest generowane przez umieszczone w wirniku silnika magnesy trwałe. Taki silnik nie pobiera prądu magnesującego, skutkiem czego jego wzrost sprawności w stanach niedociążenia jest o wiele wyższy niż oczekiwana przez Komisję Europejską poprawa na poziomie 20–30 proc. Funkcje energooszczędne stosowane w przetwornicach częstotliwości NORD pozwalają na wpływanie na wartość prądu magnesującego silnika niedociążonego (nie do osiągnięcia w przypadku typowych przetwornic częstotliwości lub dla zasilania bezpośrednio z sieci). Inteligentna funkcja przetwornicy aktywnie obniża parametry zasilania silnika dopasowując wartość prądu magnesującego do potrzeb wynikających z prądu odpowiadającego za obciążenie. Mniejsze straty w silniku wpływają w niektórych przypadkach na poprawę wydajności systemu napędowego o kilkadziesiąt procent, czyli również powyżej oczekiwań Komisji Europejskiej. Zagadnienie staje się szczególnie popularne w powiązaniu z koncepcją integrowania silników z przetwornicami częstotliwości NORD zamiast umieszczania tych drugich w szafach elektrycznych. Zysk w postaci rezygnacji z chłodzenia szaf elektrycznych, w których dotychczas umieszczano przetwornice częstotliwości, dokłada się do całościowego wzrostu sprawności systemów

Adam Brzozowski