Efektywność energetyczna jest pojęciem, które powinno determinować dziś działalność większości zakładów przemysłowych, a tym samym zachodzących w nich procesów produkcyjnych i wykorzystywanych urządzeń i maszyn. Dlatego tak ważne jest używanie wydajnych i energooszczędnych napędów. Jednym ze sposobów na redukcję zużycia energii układów napędowych jest stosowanie silników elektrycznych wielobiegowych.
Minimalny pobór energii elektrycznej to realne korzyści dla przedsiębiorstwa – ekonomiczne oraz ekologiczne. Dlatego też firmy coraz bardziej świadomie inwestują w rozwiązania energooszczędne. Bardzo dobrym przykładem są tu układy napędowe, których zasilanie w dużych zakładach przemysłowych stanowi olbrzymi koszt dla przedsiębiorcy. Aby zoptymalizować pobór energii stosuje się dziś najczęściej silniki elektryczne z przemiennikami częstotliwości, jednak wciąż można też spotkać – i to także w nowych instalacjach przemysłowych – rozwiązania wykorzystujące silniki wielobiegowe (dwu-, trzy-, a także czterobiegowe). Analogia do mniejszego spalania podczas jazdy samochodem na wyższym biegu jak najbardziej słuszna.
– Zastosowanie silników wielobiegowych, podobnie jak w przypadku silników jednobiegowych zasilanych z przemienników częstotliwości, pozwala na dostosowanie prędkości obrotowej silnika do danego reżimu pracy urządzenia (np. bieg wolny i szybki podnoszenia w napędzie dźwignicy, skokowe zmiany wydajności wentylatorów itp.) oraz w wybranych napędach umożliwia ograniczenie zużycia energii elektrycznej (np. obniżenie wydatku powietrza wentylatora lub przepływu medium pompy na niższej prędkości obrotowej przy ograniczonym zapotrzebowaniu na powietrze/medium), a tym samym podwyższenie efektywności energetycznej całego układu napędowego. Możliwe jest to poprzez wyeliminowanie lub ograniczenie korzystania w układach napędowych z kryz/przepustnic (wentylacja) oraz zaworów dławiących (pompy) – tłumaczy Adam Owczarzy z działu rozwoju w firmie Celma Indukta – Grupa Cantoni.
Przeznaczenie
Układ napędowy wielobiegowy jest zalecanym rozwiązaniem w tych urządzeniach i maszynach, których cykl pracy wymaga dwóch lub więcej różnych prędkości obrotowych, a zmiana pomiędzy nimi (np. z 2000 obr/min na 3000 obr/min) odbywa się skokowo, gdyż nie ma możliwości płynnej regulacji obrotów. Przystosowane są do pracy ciągłej, co oznacza, że liczba rozruchów przy pełnym obciążeniu nie powinna być zbyt duża.
Silniki wielobiegowe znajdują zastosowanie we wszelkiego rodzaju maszynach o charakterystyce odśrodkowej, gdzie moc uzyskiwana przy wyższych prędkościach obrotowych jest dużo większa niż przy niższych prędkościach. Przykładem takich aplikacji są wentylatory (osiowe i promieniowe) oraz inne urządzenia o charakterystyce wentylatorowej, a także przenośniki taśmowe, podnośniki, dźwigi, wirówki oraz pompy. Silniki wielobiegowe można także spotkać w napędach obrabiarek.
Pomimo rosnącej popularności układów napędowych o płynnie regulowanej prędkości obrotowej z silnikami asynchronicznymi jednobiegowymi zasilanymi z przemienników częstotliwości, obecnie w nowych aplikacjach przemysłowych nadal można spotkać silniki asynchroniczne wielobiegowe (o skokowej zmianie prędkości obrotowej).
mgr inż. Adam Owczarzy z działu rozwoju w firmie Celma Indukta S.A. – Grupa Cantoni
Jedno- lub dwuuzwojeniowe
Występują zarówno silniki wielobiegowe o konstrukcji jednouzwojeniowej – pracujące w tzw. układzie Dahlandera, gdzie stosunek prędkości wynosi 2 do 1 (są to silniki jednonapięciowe przeznaczone do rozruchu bezpośredniego), a także dwuuzwojeniowe, w których stosunek prędkości może być inny niż 2:1. Silniki z jednym uzwojeniem o przełączalnej liczbie biegunów są silnikami dwubiegowymi, natomiast silniki o dwóch uzwojeniach mogą posiadać dwa, trzy, a nawet cztery biegi. Zmiana prędkości obrotowej silnika odbywa się poprzez zmianę liczby par biegunów pola magnetycznego.
Napędy wielobiegowe najczęściej są realizowane poprzez silniki indukcyjne klatkowe. Spotykane są jednak również rozwiązania wykorzystujące układ dwóch silników indukcyjnych pierścieniowych o zasilaniu pojedynczym lub kaskadowym, silniki synchroniczne o specjalnej konstrukcji z uzwojeniem stojana z przełączalną liczbą biegunów, a także silniki indukcyjne lub synchroniczne zasilane z sieci elektroenergetycznej lub z agregatu prądotwórczego (o niższej częstotliwości i niższym napięciu).
Nie tylko niższe zużycie energii
Ograniczenie zużycia energii to najważniejsza zaleta ze stosowania silników wielobiegowych. Według szacunków pobór energii przez urządzenie napędzane silnikiem dwubiegowym zmniejsza się do ok. 65-70% w porównaniu do napędu jednostopniowego nieregulowanego, a przy napędzie trójbiegowym nawet do 55-60%. Należy jednak pamiętać, że sama większa liczba biegów nie gwarantuje automatycznie sukcesu. Niezbędne jest również odpowiednie dopasowanie prędkości obrotowej silnika do parametrów pracy danego urządzenia czy też maszyny.
Adam Owczarzy zwraca jednak także uwagę na inne zalety tego typu napędu. – Niewątpliwe zalety silników asynchronicznych wielobiegowych w stosunku do silników asynchronicznych z przemiennikiem częstotliwości to także niższa cena zakupu oraz bardziej prosta i niezawodna konstrukcja (nie wymagają bowiem stosowania np. przekształtników energoelektrycznych).
Praca przy niższej prędkości obrotowej to także mniejszy hałas generowany przez urządzenie czy maszynę, co przekłada się na wyższy komfort pracy. To również mniejsze zużycie różnych podzespołów w napędzanych urządzeniach mechanicznych.
Do podstawowych wad silników wielobiegowych, jak podkreśla Adam Owczarzy z firmy Celma Indukta, należy przede wszystkim brak możliwości płynnej regulacji prędkości obrotowej, a tym samym ograniczona możliwość pełnej adaptacji do aplikacji/urządzenia oraz bardziej rozbudowany układ sterowania szczególnie w przypadku silników z uzwojeniami przełączalnymi (pracujących w układzie Dahlandera).
----
W artykule wykorzystano materiały m.in. Instytutu Napędów i Maszyn Elektrycznych KOMEL w Katowicach oraz Grupy Cantoni.
Specjalista w dziedzinie napędów, firma Nord Drivesystems, jest znana ze swoich silników IE4 i IE5, ale oferuje również niezawodne rozwiązania dla niższych zakresów wydajności. Nowy jednofazowy silnik asynchroniczny ma nie tylko ulepszoną konstrukcję, ale także wyższą sprawność o jedną klasę.
Dawn Rogers, europejska dyrektor ds. produktów przemysłowych w firmie PEI-Genesis specjalizującej się w złączach elektrycznych, mówi o tym, jak poprawa możliwości ładowania EV może pomóc w obsłudze rosnącej liczby pojazdów elektrycznych na drogach.
Badania przeprowadzone przez Interact Analysis pokazują, że rynek autonomicznych robotów mobilnych (AMR) i zautomatyzowanych pojazdów kierowanych (AGV) napędza wzrost w ramach rynku napędów ultra niskiego napięcia (LV). Napęd ultra niskiego napięcia jest skategoryzowany jako <60v.
Studenci z Uniwersytetu Technicznego w Monachium ustanowili rekord zasięgu pojazdu elektrycznego przy okazji targów IAA Mobility 2023. Opracowany przez nich "muc022" to samochód elektryczny o największym zasięgu na świecie. Dzięki zaawansowanej aerodynamice i lekkiej konstrukcji zużywa zaledwie 0,6 kilowatogodziny na 100 km.
