IE5 електродвигатели

• Класът на ефективност IE5 в момента е най-високото ниво на скалата за нисконапреженови индустриални електродвигатели
  
  
• Роторът на синхронните реактивни електродвигатели не съдържа никакви магнити или редкоземни елементи
  
  
• SynRM са значително по-тихи от традиционните асинхронни двигатели с аналогични размери и мощност

Електродвигателите са навсякъде в индустрията – те задвижват помпи, вентилатори, компресори, конвейери, екструдери и стотици други машини. Те обикновено работят тихо и надеждно, което е и причината често да бъдат пренебрегвани, когато компаниите търсят подходи за понижаване на разходите или редуциране на въглеродните емисии. Оправдаването на този пропуск става все по-трудно. Около 70% от общото количество електроенергия, консумирано в промишлеността, се изразходва от системи с електродвигатели. Подобряването на ефективността на тези двигатели, дори и само с няколко процента, води до икономии, които е трудно да се постигнат чрез предприемането на почти всяка друга мярка.

Класът на ефективност IE5 в момента е най-високото ниво на скалата за нисконапреженови индустриални електродвигатели. Той надхвърля значително изискванията на настоящите нормативни актове, но аргументите за приемането му сега, без да се чака, са по-скоро практични, отколкото идеалистични.
Какво всъщност означават класовете IE

Международната електротехническа комисия (IEC) определя поредица от международни класове за енергийна ефективност на електродвигателите, започващи от IE1 (най-ниският) нагоре. Регламентът за екодизайн на Европейския съюз постепенно затегна изискванията за минимално допустимо ниво на ефективност и от юли 2021 г. IE3 стана задължителна базова линия за нисконапреженовите електродвигатели, включително тези, работещи с честотни регулатори.

Клас на енергийна ефективност IE4 е едно стъпало по-високо, а IE5 е над IE4. Всяко по-високо ниво обуславя не просто незначително подобрение, а съществено редуциране на енергийните загуби. Един електродвигател клас IE5 се характеризира с 40% по-малки загуби на енергия от еквивалентен IE3 двигател и с 20% по-ниски загуби в сравнение с IE4 двигател. Това са загуби, измерени при нормален работен режим, така че елиминирането им се отразява директно като по-ниски сметки за електроенергия през целия експлоатационен живот на двигателя. За повечето промишлени електродвигатели, които работят непрекъснато хиляди часове годишно, тази разлика се натрупва до значителна сума.

Технологията в основата на IE5 двигателите

Технологията, която прави възможно реализирането на клас на енергийна ефективност IE5 на приемлива цена и без усложненията, свързани с използването на редкоземни метали, е синхронният реактивен двигател, често обозначаван със съкращението SynRM.

Външно тези двигатели изглеждат почти идентично със стандартните асинхронни двигатели. Размерите са същите, начините на монтаж са същите, а номиналните мощности се припокриват с тези на предлаганите на пазара серии електродвигатели. Важната разлика се крие във вътрешността на двигателя, по-конкретно в ротора.

При конвенционалните асинхронни двигатели се използва накъсосъединен ротор: набор от проводими шини, свързани с кафезни пръстени, които генерират къси съединения. Когато въртящото се магнитно поле на статора преминава през тези шини, то индуцира токове. Тези токове взаимодействат с полето, генерирайки въртящ момент, но и топлина. Загубите от съпротивление в накъсосъединения ротор съставляват приблизително 40% от общите енергийни загуби на електродвигателя. Намаляването на тези загуби при запазване на въртящия момент е основното предизвикателство при проектирането на асинхронни двигатели, като физиката налага реални ограничения колко далеч може да се стигне в това отношение.

При синхронните реактивни електродвигатели накъсосъединеният ротор е напълно елиминиран. Вместо това се използва ротор, изграден от подредени една върху друга стоманени пластини с разстояния между тях, които формират лека, но издръжлива структура. Тъй като няма накъсосъединен ротор или намотки, които да генерират токове и топлина, енергийните загуби са практически пренебрежими. Статорът на SynRM генерира магнитен поток, който се управлява и върти от честотния регулатор.

Роторът се синхронизира с този въртящ се поток и по този начин се генерира въртящ момент.

Тази конструкция на ротора сама по себе си генерира минимално количество топлина, което е една от основните причини синхронните реактивни електродвигатели да работят при значително по-ниска температура в сравнение с асинхронните двигатели при същото натоварване.

Без редкоземни метали

Един от потенциалните подходи към ултрависоката ефективност е използването на двигатели с постоянни магнити, които също предлагат значително понижение на загубите. Тези двигатели могат да постигнат много висока ефективност, но за конструирането им са необходими редкоземни елементи като неодим или диспросий. Добивът и преработката на тези материали представляват сериозно екологично бреме. В допълнение те са трудни за рециклиране в края на жизнения им цикъл.
Роторът на синхронните реактивни електродвигатели не съдържа никакви магнити или редкоземни елементи – той представлява профилирана стоманена конструкция, което улеснява доставките, понижава производствените разходи и значително опростява рециклирането на оборудването в края на експлоатационния му срок. Това е съществено предимство за компаниите, които се отнасят сериозно към ангажиментите си за устойчивост по цялата верига на доставки.

По-дълъг експлоатационен живот и по-тиха работа

Намаляването на загубите в ротора има ползи, които надхвърлят самото спестяване на енергия. Тъй като SynRM генерират по-малко количество топлина, цялата машина работи при по-ниска температура при нормална експлоатация. Тази по-ниска температура оказва пряко влияние върху компонентите, които в най-голяма степен определят експлоатационния живот на двигателя.

Намотките на статора се износват с времето, отчасти заради термично стареене на изолацията им. По-ниските работни температури забавят този процес. Смазочните материали за лагерите също се разграждат по-бързо при по-високи температури, което съкращава интервалите между смазванията и увеличава риска от повреда на лагерите. Работата при по-ниски температури удължава експлоатационния живот на смазочните материали и редуцира честотата на дейностите по поддръжка.

На практика синхронните реактивни електродвигатели с клас на енергийна ефективност IE5 могат да работят на по-дълги интервали на обслужване в сравнение с еквивалентните асинхронни двигатели. По-опростената конструкция на ротора означава също, че има по-малко възможности за механични повреди. Взети заедно, тези фактори намаляват както преките разходи за поддръжка, така и косвените разходи, свързани с престоите.

Въздействие има и върху работното пространство. Двигателите, функциониращи при по-ниски температури, отделят по-малко топлина, което понижава натоварването върху охлаждащите системи в помещенията, в които те работят.

SynRM са значително по-тихи от традиционните асинхронни двигатели с аналогични размери и мощност. Отсъствието на токове в ротора и по-плавното електромагнитно взаимодействие между ротора и статора намаляват генерирания шум. В промишлени среди, където нивата на шум засягат комфорта на работниците и, в някои случаи – спазването на нормативните изисквания, това е важно допълнително предимство.

Защо честотният регулатор е от съществено значение

Синхронните реактивни електродвигатели винаги се използват в комбинация с честотен регулатор, който изпълнява две функции. На първо място, той осигурява прецизния въртящ се магнитен поток, който роторът следва, за да генерира въртящ момент – без този контролиран поток SynRM изобщо не могат да работят. Второ, той непрекъснато следи позицията на ротора и го поддържа синхронизиран с въртящото се поле.

Тази комбинация също така осигурява значителни икономии на енергия, надхвърлящи тези, които могат да бъдат постигнати единствено чрез по-високата ефективност на двигателя. В най-често срещаните индустриални приложения – помпи, вентилатори и компресори, механичното натоварване варира в зависимост от скоростта по начин, който прави работата с постоянна скорост неефективна. Вентилатор, работещ на 80% от пълната скорост, изразходва приблизително половината от енергията, която би използвал при пълна скорост, защото енергийното потребление на тези товари следва кубична зависимост от скоростта. Задвижване, което регулира скоростта на електродвигателя, за да съответства на действителното потребление, вместо да работи непрекъснато на пълна скорост, обикновено спестява около 25% от консумацията на енергия в тези приложения, като това е в допълнение към ползите от по-ефективния двигател.

Комбинацията от SynRM и подходящо подбран честотен регулатор осигурява също така прецизно управление на скоростта и въртящия момент. Скоростта може да се поддържа с висока точност в целия работен диапазон, включително при много ниски скорости, без наличието на нестабилност, която се наблюдава при някои типове двигатели. Пълният въртящ момент е наличен още при пускане на двигателя. Това ниво на контрол е важно в приложения, където качеството на продукта зависи от постоянна скорост – например екструзионни линии, където колебанията в скоростта водят до вариации в диаметъра или дебелината на стената на крайния продукт.

Други приложения

Макар че помпите, вентилаторите и компресорите съставляват най-голямата част от приложенията, задвижвани с електродвигатели, и извличат значителни ползи от работата с променлива скорост, SynRM с клас на енергийна ефективност IE5 се използват и в други случаи.

Същата технология, която осигурява ефективна работа при товари с квадратична зависимост на въртящия момент, каквито са центробежните натоварвания, може да предостави постоянен въртящ момент с прецизно управление за приложения като екструдери, миксери и конвейери. Способността на двигателя да поддържа точен въртящ момент при всякаква скорост, в комбинация с динамичното управление на задвижването, го прави подходящ заместител на стандартните асинхронни двигатели в много широк спектър от индустриални процеси.

Преходът

Един от практическите въпроси при оценката на технологично обновяване е доколко ще бъде съпътствана промяната от прекъсвания в работата. Синхронните реактивни електродвигатели с клас на енергийна ефективност IE5 са проектирани така, че да могат директно да заменят стандартните асинхронни двигатели. Те имат същите размери на корпуса и номинална изходна мощност, така че не се налагат механични модификации на съществуващото оборудване или монтажните конструкции.

Допълнителните разходи за комплект от SynRM с клас на енергийна ефективност IE5 и честотен регулатор, в сравнение с IE3 двигател с честотен регулатор, могат да се възвърнат чрез икономии на енергия за по-малко от една година, в зависимост от работните часове и цените на електроенергията на местно равнище. В рамките на типичния експлоатационен живот на двигателя от 15 до 20 години или повече, разликата в енергийните разходи между IE5 и IE3 двигател е много по-голяма от разликата в покупната цена.

Електродвигателите с клас на енергийна ефективност IE5 често се разглеждат предимно от гледна точка на устойчивостта и намаляването на въглеродните емисии, като предимствата им в това направление са реални. Ако 80% от използваните понастоящем индустриални двигатели бъдат заменени с такива с клас на енергийна ефективност IE5, спестената енергия би била сравнима с цялото годишно потребление на електроенергия на една средно голяма европейска държава.

За повечето оператори обаче решението се свежда до експлоатационни разходи, надеждност и производителност. По тези показатели аргументите в полза на синхронните реактивни електродвигатели са ясни. Двигателите, които използват по-малко енергия, работят при по-ниска температура, изискват по-малко поддръжка, имат по-дълъг експлоатационен живот и контролират скоростта и въртящия момент по-прецизно, са по-добрият избор по всички експлоатационни параметри.

Технологията вече е налице, повишаването на ефективността е реално и измеримо, а процесът на преминаване към нея е по-лесен, отколкото изглежда. За всяко промишлено предприятие, което обмисля подмяна на двигатели или нови инсталации, най-разумният избор в дългосрочен план е електродвигател клас IE5 в комбинация с честотен регулатор.