Sprawność silników elektrycznych i napędów o zmiennej prędkości

Data

Wiele się mówi na temat efektywności energetycznej. Czasem te rozmowy prowadzą do jakichś faktycznych działań. Od niedawna obowiązuje drugi system klasyfikujący sprawność silników elektrycznych, co pomaga lepiej wykorzystać ich możliwości. W związku z tym nowa norma zawiera również wskazania dotyczące przetwornic częstotliwości (przemienników częstotliwości) w układach napędów o zmiennej prędkości. Niesie to ze sobą wiele pytań: Do czego służy taka przetwornica i jaki jest jej mechanizm działania? Które silniki elektryczne pozwalają zaoszczędzić energię, a które nie? Które z nich muszą charakteryzować się większą energooszczędnością, biorąc pod uwagę nowe normy? Niniejszy artykuł omawia odpowiedzi na te pytania.

Popularność rynkowa silników elektrycznych o podwyższonej sprawności jest ograniczona z dwóch powodów. Po pierwsze obecnie stosowane silniki elektryczne już wykazują się wysoką sprawnością:

  • silnik Diesla o mocy znamionowej 90 kW wytwarza co najmniej 12 kW rozpraszanej energii cieplnej,
  • silnik elektryczny o mocy znamionowej 90 kW wytwarza maksymalnie 7 kW rozpraszanej energii cieplnej.

Nie dla wszystkich jest oczywiste, że mniejsza, wynosząca 7 kW, cieplna utrata energii oznacza potencjalne źródło ograniczenia kosztów. Odbiorcom często trzeba szczegółowo tłumaczyć, że wyższa cena bardziej nowoczesnego, 3-fazowego silnika elektrycznego zwraca się w ciągu roku eksploatacji. Łatwiej jest to przedstawić osobie pragmatycznej w taki sposób: 3% kosztu eksploatacji silnika przemysłowego to jego cena, 1% to jego konserwacja, a 96% to koszty energii elektrycznej.

1

Rys. 1. W typowym napędzie przemysłowym ponad 50% potencjalnych oszczędności energii elektrycznej jest ukryte.

Drugim utrudnieniem jest fakt, że znacznie więcej energii można zaoszczędzić przez zastosowanie przetwornic częstotliwości niż przy użyciu silnika wyższej klasy. Zastąpienie mechanizmów hamowania, w którym są stosowane przepustnice i zawory, napędem o zmiennej prędkości pozwala uzyskać oszczędności rzędu nawet 60%. W ten sposób można zmniejszyć zużycie energii w Europie o blisko 8%, a stosowanie sprawniejszych silników elektrycznych oznaczałoby ograniczenie kosztów tylko o 1,3%. Wynika to z faktu, że silnik elektryczny ma z reguły większą sprawność  niż proces przemysłowy, w którym jest wykorzystywany (rys. 1). Falowniki, które są głównym elementem przetwornic częstotliwościowych, są jednak kilkukrotnie droższe od wysokiej klasy silnika. Okres zwrotu kosztów obu rozwiązań jest zbliżony, dlatego korzyści ich stosowania są w podobny sposób zasadne. Ponadto różnica pomiędzy silnikami standardowymi a silnikami wyższej klasy i zwiększa się jeszcze bardziej, gdy zastosujemy sterowanie przy użyciu przetwornicy. Dzieje się tak, gdyż niepełne odtworzenie sinusoidalnego przebiegu napięcia na wyjściu falownika prowadzi do zwiększenia strat dodatkowych silnika. Ten efekt jest bardziej widoczny, jeśli straty dodatkowe już są wysokie.