Енергийноефективни двигатели и задвижвания за производствения сектор

• Ключови за съвременната производствена автоматизация са сервомоторите, които постигат по-висока ефективност чрез сервоусилватели
  
  
• Фундаментална технология в сегмента са и честотните задвижвания, които спомагат за реализирането на значителни икономии на енергия
  
  
• През последните години бяха въведени и допълнителни “супер премиум” и “ултра премиум” класове за ефективност на електродвигателите

Глобалният пазар на индустриални двигатели се очаква да надхвърли 91 млрд. щатски долара в следващите четири години, с което да регистрира значителен ръст в сравнение със стойността си от 62,76 млрд. долара през 2022 г. Само сегментът на сервомоторите и сервозадвижванията през изминалата година е достигнал близо 19 милиарда, сочат още актуалните проучвания на международните маркетингови анализатори. Основен фактор за експоненциалното развитие в това направление е непрекъснато нарастващото търсене на енергийноефективни двигатели и задвижващи системи за производствения сектор, отбелязват маркетолозите.

В сегмента на електродвигателите през последното десетилетие се забелязва мащабна трансформация в няколко ключови аспекта – постигане на съответствие с актуалните политики и стандарти за енергийна ефективност и ориентация към по-рентабилни и разходно ефективни решения, които да компенсират скоковете в цените на електроенергията за промишлените потребители. Тези различни по произход и причина тенденции обаче тласкат развитието на електромоторите и задвижванията в една и съща посока – повишаване на ефективността и устойчивостта и разширяване на възможностите за енергоспестяване.

Понятия за ефективност и методи за изчисляване

Когато се прави оценка на ефективността на даден индустриален двигател или съответното задвижване, е важно да се унифицират използваните понятия. Сред широко употребяваните от производителите и в техническата литература термини са “средна” или “номинална” (Average, Nominal efficiency) ефективност, като се срещат и показатели, като “гарантирана” и “очаквана” минимална ефективност (Guaranteed…, Expected minimum efficiency). В някои брошури е зададен и “приведен коефициент на полезно действие” (Apparent efficiency). Той е произведение на фактора на мощността на двигателя и минималния КПД. На база това определение енергийното потребление на системата може да варира значително в зависимост от фактора на мощността.

Масово се използва и понятието “изчислена” ефективност (Calculated efficiency), като тази характеристика се взема предвид при калкулации и оценка на различни варианти с цел определяне на това колко енергия би могла да бъде спестена например чрез подобрено управление. Задвижванията регулират скоростта на двигателите и могат да доведат до редуциране на енергийната консумация с 30 до 50% в редица приложения, като в отделни сценарии е възможно постигането на икономии и с до 70 на сто.

Индустриалните потребители от опит знаят, че един преоразмерен или недобре управляван мотор може да причини значителни загуби на енергия и съответно големи нежелани разходи. Ето защо стриктното съобразяване на модела, профила и типоразмера на двигателя с параметрите на конкретната система е от ключово значение. Нещо повече – дори малки системни оптимизации могат сериозно да увеличат експлоатационния живот на мотора и задвижваното от него оборудване.

В тази връзка производствените предприятия все по-често търсят възможности за подмяна на остарелите си и неефективни двигатели и задвижвания с решения от последно поколение, които не само намаляват сметките за електроенергия, но и отчетливо допринасят за повишена надеждност и усъвършенствано процесно управление, по-ниски разходи за поддръжка и намаляване на реактивната мощност.

Изчисляването на ефективността на моторите и задвижванията, използвани в производствения сектор, е съществен елемент от обслужването им и важен аспект от набиращата популярност в контекста на дигитализацията практика за прогнозна поддръжка на база данните от специални сензори и IoT устройства в системата. Традиционният подход към калкулирането на този показател включва изчисляване на теоретичната енергийна ефективност (з). Редица съвременни потребители предпочитат да използват модерни технологии, като сензори и специализирани софтуерни платформи (включително такива с изкуствен интелект), които дават по-надеждни и точни резултати от обследването, извършвано в рамките на по-продължителен период.

Сред начините за количествено определяне на възможностите за енергоспестяването при даден мотор или задвижване е измерване на действителното потребление на енергия в киловатчасове, което обикновено се извършва преди и след модернизиране на съответната машина. За целта може да бъде използвано специално устройство за анализ на мощността, което прави прецизно сравнение на потреблението на енергия преди и след.

Фундаментални за съвременната производствена автоматизация са сервомоторите, които използват сервоусилватели за постигане на по-висока ефективност. Усилвателите се състоят от биполярни транзистори, диоди, кондензатори и други електрически компоненти, които позволяват намаляване на консумацията на енергия.

Ключова технология в пазарния сегмент на индустриалните двигатели са и честотните задвижвания (управления, регулатори или инвертори), които спомагат за реализирането на значителни икономии на енергия в системи с променливо натоварване. Тъй като във все по-голяма част от съвременните приложения тези устройства са неразделна част от двигателите, популярна практика е вместо да се изчислява ефективността на отделните елементи, да се правят калкулации на ниво MDU (Motor Driven Unit) модул. Той включва електромотор, честотно задвижване, предавателен механизъм и задвижвано (крайно) оборудване, например помпа, вентилатор, ОВК уред, компресор, хладилна машина и т. н.

Дигитални технологии и тенденции

Електрическите задвижвания са “виновници” за консумацията на 50 – 60% от цялата електроенергия, използвана в индустрията. За промишления сектор в ЕС делът им достига 70%. Чрез интегрирането на подходящата силова електроника в тези устройства е възможно да се постигне намаляване на потреблението на енергия с около 20 до 30 на сто, изчисляват експертите. В дадени сценарии може да се предотвратят и повече от 50% от загубите на енергия при преобразуването на мрежовото напрежение или това на батерията. Иновативни технологии при захранванията пък могат да увеличат ефективността с още около 2 – 4%, намалявайки абсорбцията в условия на ниска мощност или в режим на готовност, редуцирайки загубите с до 30 на сто.

Допълнително понижаване на консумацията на енергия при електрическите двигатели и задвижвания е възможна и чрез дигитално управление. Каква точно е ролята на дигиталните иновации в технологичното развитие на съвременните двигатели и задвижвания за производствени приложения и доколко оказват позитивно въздействие върху енергийната им ефективност? Този въпрос е основна тема на мащабно проучване, което се реализира по линия на програмата за технологично сътрудничество “Energy Efficient End-use Equipment” (4E) на Международната агенция по енергетика (IEA). Платформата “Electric Motor Systems Annex” (EMSA), развивана в рамките на програмата, повишава осведомеността в световен мащаб относно технологичния потенциал в сферата на ефективността на съвременните електродвигатели и задвижващи системи и предоставя насоки и инструменти за подобряване на енергийните характеристики на нови и функциониращи електрически мотори и задвижвания по целия свят.

В актуален доклад експертите от EMSA оценяват колективното въздействие върху развитието на сегмента на ключови технологични иновации в контекста на цифровизацията, като сензори, изкуствен интелект, IoT, инструменти за анализ на данни, дигитални двойници, комуникационни протоколи, интелигентно управление, мониторинг в реално време, роботика, облачни услуги, добавена реалност и др. Анализаторите стигат до извода, че всички тези технологии в една или друга степен оказват значимо влияние върху напредъка при електродвигателите и задвижванията, като най-отчетлива е ролята на сензорите, които се използват все по-масово за свързаност в рамките на MDU модулите, както и за мониторинг на захранването, статуса на машината, изходната мощност и задвижвания технологичен процес.

Според специалистите въвеждането на усъвършенствани сензори и интелигентни инструменти за анализ на данни в производството в Европа чрез оптимизирани моторни системи могат да допринесат за икономията на 50 – 100 TWh електроенергия на годишна база до 2030 г. Сред допълнителните ползи от тези технологии са драстичното редуциране на общите производствени разходи и усилията за поддръжка от страна на предприятията в сектора. С тези мерки би могла да бъде компенсирана до около една десета от тоталното потребление на двигателите и задвижванията, подчертават от EMSA.

Предимства и пазарно развитие

Понастоящем гарантирането на висока ефективност на електрическите машини е не само актуална пазарна тенденция, но и задължителен принцип в производството на двигатели в Европа и САЩ. Нарастващата нужда от намаляване на емисиите на парникови газове повишава търсенето на устойчиви и енергоспестяващи решения, което се очаква да стимулира по-отчетливото обособяване и разширяването на подсегмента на енергийноефективните двигатели в бъдеще. Предимствата, които тези системи демонстрират пред конвенционалните си аналози, включително по-висококачествено ламиниране, усъвършенствана изолация и минимални загуби при вентилаторите, са решаващи фактори за клиентския избор в редица приложения. Енергийноефективните двигатели се произвеждат чрез усъвършенствани процедури и с по-качествени и инженерно подобрени материали, разполагат с по-дълъг живот на лагерите, характеризират се с по-добри коефициенти на обслужване, с намалена отпадна топлина и по-малко вибрации, като всичко това повишава надеждността им.

В допълнение прилагането на екологични правила и разпоредби, като законодателството в сферата на околната среда, както и на системата на Минималните стандарти за енергийна ефективност (MEPS), значително стимулира търсенето на енергийноефективни двигатели и задвижвания през последните години.

Скорошно проучване на международната маркетингова агенция Allied Market Research (AMR) изчислява, че глобалният пазар на енергийноефективни двигатели е бил на стойност 48,5 млрд. щатски долара през 2022 г., като само за десетилетие се очаква да се нарасне близо два пъти и половина – до над 119 млрд. долара. Моторите в този специален сегмент консумират много по-малко електроенергия, работят с по-ниска температура, по-ниски нива на шум и се отличават със значително по-дълъг сервизен живот от стандартните двигатели, както и с опростена поддръжка. Само благодарение на допълнителните си медни намотки тези системи са с 2 – 6% по-ефективни от конвенционалните си аналози. Всичко това ги прави все по-търсени във взискателни и традиционно енергоемки производствени приложения през последните години, включително в циментовата, целулозно-хартиената и текстилната промишленост, машиностроенето и т. н., отбелязват маркетолозите.

В допълнение към стандартните класове за ефективност на електродвигатели (от IE1 до IE3) през последните години бяха въведени и такива за повишени показатели, като IE4 (“Супер премиум ефективност”) и IE5 (“Ултра премиум ефективност”). Класовете на ефективност (IE1-IE4) са описани в международния стандарт IEC 60034-30. IE4 двигателите вече са в широка употреба в производството и промишления сектор, като все повече на брой през следващите години се очаква да стават и приложенията на IE5 системите, коментират от AMR.

Новите класове целят да дадат мощен тласък на индустрията напред в борбата с климатичните промени. Ключови в този смисъл са и възможностите за ъпгрейд на съществуващи системи до по-висок клас чрез различни иновативни технологии.

Статистиките на анализаторите показват, че през последните две години приложенията на “супер премиум” моторите от клас IE4 значително са се увеличили по брой и географски обхват. По отношение на типа продукт, променливотоковите енергийноефективни двигатели са били подсегментът с най-голям пазарен дял през 2022 г.

Отчетливият ръст при тези решения е именно вследствие на все по-високата осведоменост на индустриалните потребители по цял свят относно необходимостта от понижаване на потреблението на енергия, повишаване на устойчивостта и редуциране на въглеродните емисии, считат експертите. Всички национални и международни директиви и регулации, промотиращи използването на енергийноефективно оборудване, също имат съществен принос за ръста в продажбите на енергоспестяващи електрически двигатели и задвижвания, допълват от AMR.

Що се отнася до най-популярните приложения и типове крайно оборудване през последните две години, според данните на статистиците това са промишлените помпени системи, които стават както все по-достъпни, така и по-разходно ефективни с интегрирането на честотни задвижвания.