Zgodnie z informacjami podawanymi przez Unię Europejską silniki elektryczne zużywają prawie 50 proc. energii elektrycznej w Europie. Napędzają windy, dźwigi i systemy chłodzenia a stosując te bardziej wydajne, można zaoszczędzić średnio 700 euro w całym cyklu ich użytkowania. Podaje się, że dzięki nowoczesnym silnikom można do 2020 roku zaoszczędzić w Europie około 135 TWh energii elektrycznej. To odpowiada rocznemu zużyciu energii elektrycznej Szwecji i oznacza zmniejszenie emisji dwutlenku węgla o ponad 60 mln ton.

Nawet wsparcie rządowe

W innych źródłach podaje się, że zużycie energii przez maszyny elektryczne w przemyśle stanowi prawie 40proc. całkowitej światowej produkcji energii elektrycznej i stanowi około 70proc. zużywanej energii w UE. W opublikowanym w tym roku, przez firmę analityczną Markets and Markets, raporcie wartość całego rynku silników energooszczędnych na świecie w 2017 roku oszacowano na 28,46 mld dolarów i przewiduje się, że do roku 2023 osiągnie on poziom 41,57 mld dolarów. To oznacza średni roczny wzrost w latach 2018 – 2023 na poziomie 6,5 proc.. Analitycy Markets and Markets są przekonani, że głównymi czynnikami napędzającymi zastępowanie dotychczasowych jednostek napędowych nowymi, jest dążenie do oszczędzania energii i ograniczanie kosztów użytkowania.

Zwiększa się też wsparcie ze strony rządów w zakresie zastosowania silników energooszczędnych oraz coraz powszechniej stosuje się je w sektorze przemysłowym. Analitycy podkreślają, że silniki prądu przemiennego stanowią obecnie większość, jeśli chodzi o urządzenia energooszczędne. Wynika to ze znacznych nakładów na badania i rozwój, jakie ponieśli producenci w związku z naciskiem na ograniczenie emisji dwutlenku węgla. Oczekuje się też w najbliższych latach wyższych wzrostów w segmencie rynku silników prądu stałego. W raporcie Markets and Market wśród największych graczy na tym rynku wymienia się firmy takie jak: ABB, Siemens, WEG, GE, Schneider Electric, Nidec, Rockwell, CG, Bosch Rexroth i Kirloskar Electric. W innych opracowaniach wymienia się też firmy: Crompton Greaves, Regal Beloit, Havells, Maxon Motor, Brook Crompton i Toshibę.

Silniki energooszczędne – regulacje

W styczniu tego roku weszły w życie kolejne regulacje określające minimalną sprawność energetyczną silników elektrycznych o mocach od 0,75 do 375 kW. Komisja Europejska planuje kolejne zmiany w regulacjach prawnych. Specjaliści przypuszczają, że będą one dotyczyły sprawności nie tylko silnika, ale też całych urządzeń. Silniki dużej mocy, które w trakcie pracy pobierają najwięcej energii, już obecnie uzyskują sprawności na poziomie 96proc.. Dlatego dalszych oszczędności można szukać w częściach mechanicznych maszyn. Zwraca się większą uwagę na całe układy napędowe. Również na przemienniki częstotliwości (zwłaszcza w aplikacjach o zmiennym obciążeniu), w których współpracują z silnikiem synchronicznym.

Można przyjąć, że produkcja i zastosowanie wysoko wydajnych energetycznie silników elektrycznych to obowiązkowy trend w Europie i Stanach Zjednoczonych Ameryki. Klasy efektywności (IE1-IE4) są opisane w standardzie definicji klas energetycznych IEC 60034-30-1:2014 (PN-EN 60034-30-1:2014-11). Oznaczenie IE jest skrótem od International Efficiency Standard Level (Międzynarodowy Standard Poziomy Sprawności), który opisuje międzynarodowe standardy sprawności silników. IEC opracowało ten standard, by zastąpić nim różne systemy krajowe. W odpowiadającej mu normie PN-EN 60034-30-1:2014-11 określa się między innymi klasy sprawności jednobiegowych silników elektrycznych, które są znamionowane zgodnie z IEC 60034-1 lub IEC 60079-0, przeznaczonych do pracy przy zasilaniu z sinusoidalnego źródła napięcia oraz: o mocy znamionowej PN od 0,12 kW do 1000 kW; napięciu znamionowym UN powyżej 50 V do 1 kV; 2, 4, 6 lub 8 biegunach itp.

Ostatnio opracowano też wyższe klasy wydajności, takie jak IE4 (Super Premium Efficiency) i IE5 (Ultra-Premium Efficiency). Zgodnie z informacjami przekazywanymi przez producentów silniki elektryczne IE4 są dostępne na rynku, a produkcją zgodnych z IE5 jest zainteresowanych kilku dużych producentów. Urządzenia liniowe z magnesami trwałymi i silniki indukcyjne klatkowe można ulepszać, by uzyskać większą wydajność. W silnikach reluktancyjnych – silnikach elektrycznych bez uzwojeń wzbudzania – w celu spełnienia wymagań wydajnościowych zgodnych z IE5, należy zastosować magnesy neodymowe (NdFeB) lub ferrytowe. Warto dodać, że obecnie nowoczesne silniki synchroniczne z magnesami stałymi mają znacznie wyższą sprawność w całym zakresie regulacji prędkości w stosunku do silników indukcyjnych. Jak się ocenia w zależności od profilu obciążenia, można uzyskać przy ich wykorzystaniu nawet 6proc. oszczędności w zakresie ilości zużytej energii w stosunku do silnika indukcyjnego.

W kierunku efektywności energetycznej

Silniki o wysokiej sprawności klasy IE4 to głównie urządzenia z magnesami trwałymi, czyli typu PM (Permanent Magnet). Mają większą sprawność niż silniki indukcyjne, ale wymagają użycia sterownika a wysoka temperatura i duże natężenia prądu są powodem ich rozmagnesowywania. Dlatego ciekawą alternatywą są dla nich silniki typu LSPM (Line Start Permanent Magnet).

Silniki typu LSPM oferuje na przykład firma SEW Eurodrive. To trójfazowe silniki asynchroniczne, w których wirnik klatkowy wyposażony jest dodatkowo w magnesy trwałe. Po asynchronicznym rozruchu silnik synchronizuje się na częstotliwość roboczą, a następnie pracuje w trybie synchronicznym. Jest to technologia, która, jak uważa firma, otwiera nowe, elastyczne możliwości zastosowania w zakresie techniki napędowej. Silniki synchroniczne nie wykazują podczas pracy żadnych strat na wirniku i mają wysoką sprawność jednocześnie przy kompaktowej budowie. W tej samej klasie energooszczędności rozmiar silnika DR..J z technologią LSPM jest mniejszy o dwa stopnie w stosunku do silnika seryjnego o takiej samej mocy. Seria DRU..J o klasie sprawności IE4 i zakresem mocy od 0,18 do 3 kW, jest dostępna w rozmiarach od 71S do 100L.

Jak podaje SEW Eurodrive, można dodatkowo skorzystać z systemu modułowego i połączyć silnik LSPM zgodnie z zapotrzebowaniem z przekładnią walcową, płaską, walcowo-ślimakową, walcowo-stożkową lub SPIROPLAN. Na potrzeby sterowania oraz regulacji dostępne są odpowiednie falowniki w tym również z indywidualnie zaprojektowaną do napędów elektroniką.

Z ciekawszych ofert np. YASKAWA ma silniki obrotowe serwo Sigma-7. Wykorzystują 24-bitowy enkoder o wysokiej rozdzielczości (16 777 216 impulsów na obrót). Ze zoptymalizowanym obwodem magnetycznym, który poprawia sprawność silnika i zmniejsza emisję ciepła. W tych samych warunkach silniki serwo Sigma-7 produkują 20proc. mniej ciepła niż starsze silniki serii Sigma-5. Zmniejszyć zużycie energii pobieranej przez napędy elektryczne można poprzez zastosowanie przetwornic częstotliwości lub silników o podwyższonej sprawności.

Jeśli wybieramy z oferty firmy Mitsubishi Electric, to może to być np. seria FR-F800 – przedstawiciel nowej generacji napędów, która oferuje wysoki poziom oszczędzania energii, zoptymalizowane sterowanie prędkością, łatwe uruchamianie oraz wszechstronność. Przetwornice FR-F800 przeznaczone są głównie do stosowania z pompami, wentylatorami i sprężarkami oraz w aplikacjach HVAC. Mają funkcje, które pozwalają na osiągnąć kompromis pomiędzy wydajnością i dokładnym sterowaniem. Z silników tej firmy, to warto zwrócić jeszcze uwagę na serię Superline Premium SF-PR. Silnik SF-PR jest zgodny ze standardami japońskiego programu Top Runner (odpowiednik IE3).

Natomiast Beckhoff oferuje serwomotory w różnych wariantach. Synchroniczne serwomotory AM8000 o wysokiej dynamice, energooszczędności i obniżonymi kosztami cyklu życia. Opcjonalnie są dostępne z obudową ze stali nierdzewnej (AM8800). Silniki z serii AM3100 dopełniają ofertę silników o małej mocy. W pierwszym kwartale 2019 roku w sprzedaży pojawią się modele AMP80xx typu rozproszony serwonapęd. AMP8000 może być zainstalowany zamiast standardowego serwomotora serii AM8000 lub AM8500 bez konieczności modyfikacji konstrukcji maszyny.

Firma Festo w przypadku napędów elektrycznych wskazuje kilka punktów na drodze do osiągnięcia efektywności energetycznej. Po pierwsze radzi użyć oprogramowania PositioningDrives do doboru wielkości produktów, które pozwala znaleźć właściwe elektromechaniczne rozwiązania po podaniu kilku podstawowych danych. Zastosować, jeśli to możliwe, automatycznie blokowane śruby skoku pionowego, które mogą czasami zastąpić wymagające sporej energii hamulce (elektryczny napęd pozycjonujący DMES). Zmniejszyć pobór energii poprzez odłączanie zasilania od napędów, gdy te nie pracują oraz zaprogramować ruch optymalizujący zużycie energii, aby zapobiec dużym przyspieszeniom (napędy elektromechaniczne). Kolejne zalecenie to ograniczenie poruszanej masy jak to tylko możliwe (napędy elektromechaniczne: elektryczny napęd z paskiem zębatym EGC-TB, elektryczny napęd ze śrubą EGC-BS, elektryczny napęd z paskiem zębatym ELGR). Festo radzi też zmniejszyć tarcie poprzez zaprogramowanie profili ruchu optymalizujące zużycie energii (napędy elektromechaniczne: napęd elektryczny EGSP, elektryczna jednostka mini EGSL) i odzyskiwać energię hamowania (pozycjoner serwo CMMD-AS).

Trochę niewiadomych

Zgodnie z wieloma opiniami, obecnie wśród użytkowników końcowych brak pełnej świadomości, jakie możliwości oszczędzania energii i obniżania kosztów użytkowania dają dziś silniki energooszczędne. Oczekuje się, że sytuacja ta ulegnie dodatniej zmianie w nadchodzących latach. Nabywcom silników brakuje wystarczających informacji na temat potencjału takich silników. Nie mają też pełnej informacji, co konkretnie oznaczają poziomy sprawności silników. Dlatego też są mniej skłonni do np. wymiany już posiadanych lub kupowania często droższych, ale i wydajniejszych urządzeń. Jednak akcja promowania oszczędzania energii i ograniczania dzięki temu emisji dwutlenku węgla nabiera tempa, co powinno prowadzić do zwiększonego wykorzystania silników energooszczędnych. Warto też pamiętać, że większość standardowych silników trójfazowych dostępnych na rynku pracuje bez żadnych problemów z nowoczesnymi przetwornicami częstotliwości. Radzi się, żeby w procesie wyboru i instalacji użytkownicy uwzględniali charakterystykę poszczególnych technologii.