Silniki reluktancyjne – charakterystyka, typowe zastosowania w nowoczesnych napędach
Adobe Stock – Павел ПечёнкинPrzez dekady silniki reluktancyjne pozostawały w cieniu silników indukcyjnych klatkowych, mimo że ich zasada działania była znana już w XIX w. Dziś, dzięki rozwojowi energoelektroniki i sterowania wektorowego, ich wysoka sprawność, prosta konstrukcja wirnika oraz brak magnesów trwałych stanowią istotną przewagę w wielu zastosowaniach przemysłowych.
W branży elektrotechnicznej silniki reluktancyjne coraz częściej są postrzegane nie jako ciekawostka konstrukcyjna, lecz jako realna alternatywa dla klasycznych silników indukcyjnych klatkowych. Znajomość ich budowy, właściwości i ograniczeń jest dziś niezbędna dla inżynierów zajmujących się projektowaniem i eksploatacją nowoczesnych układów napędowych – od przemysłowych pomp i wentylatorów po napędy trakcyjne pojazdów elektrycznych.
Rodzaje silników reluktancyjnych
Silnik reluktancyjny to maszyna elektryczna, w której moment elektromagnetyczny powstaje dzięki zjawisku zmiennej reluktancji obwodu magnetycznego. Wirnik, wykonany z miękkiego materiału ferromagnetycznego, charakteryzuje się asymetrią magnetyczną: reluktancja zmienia się w zależności od jego położenia względem stojana. Moment reluktancyjny wynika z dążenia wirnika do ustawienia się w położeniu minimalnej reluktancji obwodu magnetycznego.
Silniki reluktancyjne dzielą się na trzy podstawowe grupy, które różnią się konstrukcją i sposobem sterowania. Najważniejszą z nich jest synchroniczny silnik reluktancyjny (Synchronous Reluctance Motor – SynRM). Kolejne to silniki z przełączalną reluktancją (Switched Reluctance Motor – SRM) oraz silniki ze zmienną reluktancją (Variable Reluctance Motor – VRM) – stosowane głównie w pozycjonerach i enkoderach, poza zakresem typowych napędów mocy. Spośród nich to właśnie silniki SynRM znalazły najszersze zastosowanie w przemysłowych układach napędowych.
Silnik SynRM – budowa i zasada działania
Silnik SynRM wyposażony jest w wirnik anizotropowy, który jest pozbawiony magnesów trwałych i uzwojeń wzbudzenia. Stojan ma budowę zbliżoną do stosowanej w silnikach indukcyjnych klatkowych, co ma istotne znaczenie przy modernizacji istniejących napędów. Zasadniczym elementem konstrukcji jest odpowiednie ukształtowanie pakietu blach wirnika, w tym barier strumieniowych kształtujących przepływ strumienia magnetycznego. Takie ukształtowanie zapewnia możliwie dużą różnicę indukcyjności w dwóch prostopadłych kierunkach magnetycznych: wzdłuż osi d (oś minimalnej reluktancji, najwyższa indukcyjność Ld) oraz osi q (oś maksymalnej reluktancji, najniższa indukcyjność Lq). Im wyższy stosunek Ld/Lq, tym większy osiągalny moment elektromagnetyczny.
Silniki SynRM pracują wyłącznie z przemiennikami częstotliwości i wymagają sterowania wektorowego lub sterowania z orientacją na strumień (Field Oriented Control – FOC). Alternatywną metodą jest bezpośrednie sterowanie momentem (Direct Torque Control – DTC).
Brak uzwojeń i magnesów w wirniku sprawia, że jest on odporny na obciążenia cieplne – straty wydzielają się niemal wyłącznie w stojanie. Dla porównania: w silniku indukcyjnym klatkowym straty cieplne wirnika mogą stanowić do 40% łącznych strat energetycznych. SynRM eliminuje je całkowicie.
Sprawność energetyczna silników SynRM
Wysoka sprawność energetyczna silników SynRM to ich główna przewaga w zastosowaniach przemysłowych. W połączeniu z dedykowanym przemiennikiem częstotliwości silniki SynRM osiągają sprawność odpowiadającą klasie IE4 (Super Premium Efficiency) lub IE5 (Ultra Premium Efficiency). Dla porównania, standardowe silniki indukcyjne klatkowe osiągają obecnie najczęściej poziom IE2 lub IE3. Przekłada się to na wymierne różnice strat: silniki IE5 mogą generować do ok. 50% mniej strat energetycznych niż silniki IE2 i o ok. 20% mniej niż silniki IE4. Co istotne, niższa temperatura pracy SynRM wpływa korzystnie na trwałość – zgodnie z przybliżoną regułą, że obniżenie temperatury o 10°C może podwoić żywotność izolacji uzwojeń.
Presję w kierunku wyższych klas sprawności potęguje otoczenie regulacyjne – obowiązujące przepisy unijne (rozporządzenie 2019/1781) wymagają stosowania silników klasy IE3 jako minimum dla szerokiego zakresu zastosowań.
Porównanie SynRM i SRM – dobór rozwiązania
Silnik SRM, w odróżnieniu od SynRM, posiada wirnik z wyraźnie ukształtowanymi biegunami i stojan o biegunach wydatnych. Stojan zawiera koncentrycznie nawinięte uzwojenia nieskrzyżowane między fazami o krótkich połączeniach czołowych. Wirnik, wykonany wyłącznie z blach ze stali krzemowej, nie wykazuje problemów typowych dla silników indukcyjnych klatkowych, takich jak pęknięcia prętów czy wady odlewnicze, a brak magnesów oznacza niezależność od metali ziem rzadkich. Moment elektromagnetyczny w SRM powstaje w wyniku sekwencyjnego, zsynchronizowanego z położeniem wirnika załączania kolejnych faz uzwojeń. Charakterystyka mechaniczna SRM jest zbliżona do charakterystyki silników prądu stałego – wysoki moment rozruchowy i płaska charakterystyka w zakresie małych prędkości. W konfiguracjach wielofazowych silnik może kontynuować pracę nawet przy awarii jednej fazy, co stanowi cechę szczególnie cenioną w zastosowaniach wymagających ciągłości działania.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
Do wad SRM należą pulsacje momentu elektromagnetycznego oraz hałas magnetoakustyczny, wynikające z impulsowego charakteru wytwarzania momentu w kolejnych położeniach zębów wirnika względem nabiegunników stojana. Na tym tle SynRM charakteryzuje się mniejszymi pulsacjami momentu i niższym poziomem hałasu, co sprawia, że lepiej spełnia wymagania większości typowych aplikacji przemysłowych.
Zasadniczą przewagą praktyczną SynRM jest pełna zgodność wymiarowa z silnikami indukcyjnymi klatkowymi – modernizacja istniejącego napędu wymaga jedynie zastosowania przemiennika częstotliwości. SRM znajduje natomiast zastosowanie szczególnie w napędach wysokoobrotowych (powyżej 10 000 obr/min).
Raven MediaPrzekrój poprzeczny silnika SRM (8/6) z zaznaczeniem położeń charakterystycznych wirnika względem biegunów stojana
Porównanie silników SynRM i PMSM
Silniki SynRM są również często porównywane z silnikami synchronicznymi z magnesami trwałymi (Permanent Magnet Synchronous Motor – PMSM), które także charakteryzują się wysoką sprawnością i zwartą budową. Silniki PMSM uzyskują zazwyczaj nieco wyższą gęstość momentu obrotowego, co pozwala na zmniejszenie ich gabarytów przy tej samej mocy znamionowej.
Jednak obecność magnesów z metali ziem rzadkich (neodym, dysproz) wiąże się z ryzykiem ograniczonej dostępności surowców i zmienności cen. Silniki SynRM, pozbawione magnesów trwałych, są pod tym względem niezależne, łatwiejsze w recyklingu i tańsze w produkcji. W zastosowaniach, w których decydujące znaczenie mają stabilność łańcucha dostaw oraz długoterminowe koszty eksploatacji, SynRM stanowi rozwiązanie uzasadnione technicznie i ekonomicznie.
Zastosowania przemysłowe silników reluktancyjnych
Silniki SynRM stosuje się przede wszystkim tam, gdzie priorytetem jest efektywność energetyczna przy dużej liczbie godzin pracy w skali roku. Pompy, wentylatory i sprężarki przy intensywnym trybie pracy to typowe obszary ich zastosowania – różnica sprawności między klasami bezpośrednio przekłada się na skrócenie okresu zwrotu z inwestycji. W tego typu instalacjach silniki SynRM zastępują silniki indukcyjne klatkowe wszędzie tam, gdzie napęd pracuje przy zmiennym obciążeniu.
Poza typowymi zastosowaniami przemysłowymi silniki reluktancyjne – zarówno SynRM, jak i SRM – znajdują zastosowanie w urządzeniach AGD (pralkach, urządzeniach kuchennych i odkurzaczach przemysłowych). Napędy pojazdów elektrycznych i hybrydowych to kolejny obszar, w którym SRM wykazuje wysoką sprawność w szerokim zakresie prędkości i obciążeń. Przemysł lotniczy oraz systemy serwonapędów doceniają odporność SRM na wibracje i ekstremalne temperatury. Ze względu na możliwość pracy przy wyłączonej jednej fazie silniki reluktancyjne stosuje się również w napędach wojskowych i strategicznych, w których decydujące znaczenie mają bezobsługowość i wysoka odporność na uszkodzenia mechaniczne i elektryczne.
