Měděné rotory
 | |||
| Měděné rotory Ing. Jarmila Maršíková Třífázové střídavé asynchronní motory dosahují již velmi vysokého stupně účinnosti [1]. Nicméně její další zvyšování je ještě možné. Použije-li se měděný rotor namísto hliníkového, jednak se ušetří energie, jednak se zlepší provozní chování motoru. Optimální třífázový motor HEM (High Efficiency Motor – vysoce výkonný motor) nebo motor s vysokým stupněm účinnosti (EFF1) neobsahují v podstatě nic nového. Všechny rozdíly spočívají v postupném zlepšování detailů – do značné míry ve využívání vodivých materiálů a zkvalitňování magnetických materiálů, jenž jsou přechodem na jinou technologii (u současných motorů HEM a EEF1 však nebyla ještě ani jednou použita). Efekt změny materiálu vodiče v kotvě nakrátko je tak značný, že společně s dalšími faktory umožňuje realizaci dalšího kompletního stupně účinnosti EFFO (viz srovnání křivek na obr. 1 a obr. 2). Obr. 1. Porovnání účinnosti hliníkového a měděného rotoru u motoru stejného výkonu
Při technickém využití jsou v praxi v současné době v podstatě aplikovány pouze dva materiály vodičů. Pro odlévání klecového rotoru nakrátko byl doposud volen hliník, protože taje již při 660 °C (měď, dosud jen jako teoretická alternativa, teprve při 1 083 °C). Protože však měď má o 35 % lepší vodivost, byla po několika letech vyvinuta forma, v níž je možné dosáhnout výrazně vyšších odlévacích teplot při současné požadované ekonomické době života [3]. Na Hannover Messe 2003 představila firma SEW Eurodrive první řadu motorů s novým druhem rotorů [4] (obr. 3 a obr. 4). Lepší měrná vodivost mědi přispívá ke snižování ztrát, poskytuje však ještě další výhody.  Obr. 3. Měděné rotory jsou k dispozici v různém provedení Dále následují především zásadní úvahy o chování střídavého třífázového proudu asynchronních motorů, které jsou podloženy zkouškami a měřeními. 1. Snížení ztrát v železe Železo dosahuje Curierova bodu1) při teplotě 770 °C, kdy jeho feromagnetické vlastnosti přestanou platit. Dynamové plechy odlévané ze železa (obr. 5) se při výrobě zahřejí pod teplotu 770 °C. Toto ohřátí železa pod teplotu Curierova bodu se na motoru projeví příznivě: odpovídající pokusy prokázaly [5], že když teplota není příliš vysoká, ztráty v železe budou menší (obr. 6) a magnetovatelnost se sníží (obr. 7). Další pokusy ukázaly, že vysoká teplota nepronikla hluboko do železa. Je tomu tak proto, že tepelná vodivost železa činí stěží jednu desetina vodivosti mědi. Přitom je odvod tepla mědí podstatně rychlejší než jeho průnik do železa. 2. Menší rozběhový moment U třífázových asynchronních motorů je důležitý menší rozběhový moment, než jaký je maximální točivý moment (první bude pod jmenovitým točivým momentem). Rozdíl roste s velikostí motoru (větší motor znamená v poměru nižší ohmické ztráty). V běhu by motor neměl mít žádné ohmické ztráty, tzn. mezi točivým magnetickým polem statoru a rotoru se vytvoří úhel téměř 90°. V tangenciálním směru vůbec nevzniká síla, která působí jen v radiálním směru – k točivému momentu tedy nepřispívá (určitý ohmický podíl je proto potřebný, ačkoliv způsobuje ztráty).  Obr. 4. Tvar rotoru může být upraven a oproti hliníkovému rotoru zjednodušen Během rozběhu motoru odebírá proud rotoru stále větší frekvenci, tudíž také klesá indukční podíl impedance v rotoru. Na významu tím získává v poměru naprosto stejný stálý ohmický podíl – fázový úhel bude menší, tím tedy bude menší i úhel mezi statorovým a rotorovým polem. Točivý moment se zvětšuje, ačkoliv proudy statorového a rotorového úhlu se zmenšují. V bodě výkonu, např. při 2 940 min–1 (tj. asi 60 min–1, tedy 1 s–1 – pod synchronními otáčkami) činí frekvence proudu rotoru pouze 1 Hz. Podíl indukční impedance – indukční reaktance – nehraje téměř žádnou roli, avšak určitý odpor ve vinutí rotoru nakrátko je nutný. Při menším proudu se sníží síla, která téměř výhradně působí v tangenciálním směru, a skoro veškerá magnetická síla bude přeměněna v točivém momentu. Použitím mědi místo hliníku klesá odpor, tedy rovněž rozběhový moment. Měření na motoru o výkonu 5,5 kW však ukázalo pouze pokles z 90 N·m na 85 N·m. Vyžaduje-li však aplikace mimořádně velký rozběhový moment, je nutné změnit drážkování rotoru, aby během rozběhu byla prostřednictvím povrchového jevu účinná jen část průřezu a tím větší odpor. Po rozběhu se frekvence opět sníží, povrchový jev již nenastane a průřez bude plně účinný. Náběhový proud zkoušeného motoru 5,5 kW s měděným rotorem odpovídá 7,5násobku jmenovitého proudu, s hliníkovým rotorem 6,5násobnému jmenovitému proudu.  Obr. 5. Zobrazení rotorových plechů před montáží (vlevo) a po zkoušce odlitím s mědí (vpravo) 2.1 Větší točivý moment – větší výkon Při jmenovitých otáčkách má motor s měděným rotorem zřetelně větší točivý moment než s rotorem hliníkovým. Tuto výhodu je možné využít v podobě většího točivého momentu nebo většího počtu otáček (obr. 8). V prvním případě vyžaduje větší mechanický výkon také úměrný přírůstek elektrického příkonu. Výhoda měděného rotoru se v tomto případě nevyužívá k omezení ztrát, ale ke zvýšení energie – tedy jako by motor byl menší, nebo dosahoval většího výkonu při stejné velikosti rotoru2).  Obr. 6. Vliv vysoké odlévací teploty mědi na plech rotoru: ztráty v železe jsou menší … V praxi se tento způsob běžně neuplatňuje – počet otáček o něco vzroste a opět je dosaženo přibližně stejně velkého proudu a stejného výkonu (obr. 9). V tomto případě někteří uživatelé uvedli zkušenost, že motor HEM, zvláště s měděným rotorem, spotřebuje více energie (namísto předpokládané menší spotřeby). Je to dáno skutečností, že optimalizovaný motor rychleji běží a také dodává více výkonu. Stupeň účinnosti je přesto vyšší. Rozdíl v počtu otáček zůstává velmi malý; je pozorovatelný jen u zatížení s kvadratickou charakteristikou otáček (točivého momentu). Na obr. 9 je zřejmé, že měřítko osy x – otáčky a y – točivý moment není stejné. 2.2 Jednodušší rotor Ačkoliv měď má při 100 % IACS „jen„ asi o polovinu lepší vodivost než hliník, naměřená vodivost rotoru odlitého z Cu97 je větší (oproti této „poloviční“) než u hliníkového rotoru. Důvodem je, že hliník nelze tak dobře odlévat jako měď (v odlitku se tvoří dutiny). Mimo to většinou jde o slitinu, která obsahuje „jen„ 99,5 % hliníku. To je zapotřebí ke zlepšení mechanické pevnosti, na vodivost však působí jako znečištění, tedy nepříznivě.  Obr. 7. … magnetovatelnost je lepší Výše uvedené vady v hliníkových odlitcích mohou vést – jako další vedlejší účinky – k nevyváženosti rotou. U měděného rotoru je proto možné nejen rezignovat na chladicí žebra, protože odvádějí méně tepla, ale také na vyvážení, v případě, že se motor provozuje na vyšší frekvenci (oproti jmenovité), než jaký je kmitočet sítě. Tvar měděných rotorů (obr. 3, obr. 4) oproti hliníkovým je velmi zjednodušený. Tím je vyvážena poněkud vyšší cena, vyvolaná dražšími materiály vodičů. Kromě toho – jelikož v současné době vzrůstá opětovná spotřeba použitých výrobků i oběh materiálů – je nutné z takto určené zvýšené ceny odečíst jejich zůstatkovou hodnotu. Především elektromagnetická provozní zařízení, která jsou vyrobena ze snadno odlučitelné mědi a železa, nepředstavují po dosažení jejich (často dlouhé) doby života žádný odpad, nýbrž jsou podstatným zdrojem surovin.  Obr. 8. Pracovní body stejného odevzdaného výkonu (5,5 kW) s měděným a hliníkovým rotorem Měď s měrnou hmotností od 8,9 kg/dm3 je zařazována k těžkým kovům, naproti tomu hliník s měrnou hmotností od 2,7 kg/dm3 patří mezi lehké kovy. Hmotnost měděného rotoru je tedy větší než hliníkového rotoru. Dále je zejména moment setrvačnosti větší, protože přírůstek hmoty je zřetelný na vnější straně obvodu kotvy. Tuto skutečnost je třeba podle okolností respektovat u nastavení regulační odezvy měniče (v extrémních situacích to může vést i k vypnutí měděného rotoru), nebo u aplikací, jako jsou např. obráběcí stroje. Právě zde extrémně často dochází k dočasnému zastavení nebo reverzaci. Dostatečně rychlé zastavení a zrychlení pak není podle okolností už vůbec možné. Avšak uvedené příklady jsou ojedinělé – zpravidla je totiž větší hmotnost rotoru spíše výhodou, protože motor je déle přetížitelný. Hliník má sice s 900 J/(kg·K) výrazně vyšší tepelnou kapacitu než měď s 380 J/(kg·K), avšak vztaženo na objem, znamená to u hliníku 2,43 kJ/(dm3·K) oproti 3,39 kJ/(dm3·K) u mědi. Použití mědi tedy poskytuje o 40 % delší dobu přetížitelnosti. Ke stavu „přetížení“ v tomto smyslu patří také proces rozběhu se 7,5násobným jmenovitým proudem. Ztrátový výkon v rotoru vzroste na více než 50násobek jmenovitých provozních hodnot. Odpojení u některých aplikací (i mimořádné) způsobí stav, kdy motor s hliníkovým rotorem, ještě zahřátý na provozní teplotu, lze opět zapnout až po určité době chladnutí. To v dnešních výrobních procesech může být nepřiměřeně drahé. Měděný rotor je však spíše schopen nadměrné ztrátové teplo akumulovat (bez vzniku nebo způsobení škody) a toto teplo po rozběhu pozvolna opět odevzdávat. 2.3. Extrémní podmínky a zvláštní motory Doposud byly vyrobeny motory HEM a EFF1 převážně s hliníkovými rotory. Měděný rotor vykazuje výrazné výhody, zvláště když:
 Obr. 9. Zvětšení točivého momentu, popř. počtu otáček Proto teprve měděný rotor umožnil výrobu vodotěsných uzavřených motorů. Při provozu motoru výhradně pod vodou jsou stanoveny optimální podmínky chlazení. Jelikož však tyto motory jsou sice těsně zapouzdřeny, ale ne bezpodmínečně nebo výhradně určeny k použití pod vodou, je odvod tepla zapouzdřením silně omezen. Teplota vinutí statoru s hliníkovým rotorem je o 5 K vyšší než s měděným rotorem, se všemi následky pro životnost motoru. V rotoru činí rozdíl teploty 15 K – podle empirického pravidla je oteplení 10 K zmenšeno na polovinu. Tato skutečnost může být u drahých a podle okolností obtížně nahraditelných speciálních strojů rozhodujícím faktorem. 3. Měnič frekvence spoří více energie než nejlepší motor Podle výpočtů ZVEI [6] se využitím proudového měniče všude tam, kde je to vhodné, umožňuje v průmyslu dosáhnout úspory spotřeby elektrické energie 8 %. Využití motorů výkonnostní třídy EFF1 tam, kde je to podle doby provozu a vytížení vhodné, může vést ještě k úspoře 1,4 %. To samo o sobě již znamená úsporu energie v EU za rok 27 TW·h [7], tedy při současné ceně proudu asi 1 až 2 mld. eur. K vyššímu příslušnému napětí měniče jsou přibližně ve stejném poměru vyšší investiční náklady. Celkem je měděný rotor v provozu na proudovém měniči výhodnější než při provozu přímo na síti, neboť napětí na výstupu měniče je většinou horší než v síti, jelikož vytvářet sinusový průběh proměnného napětí lze jen nedokonale [8]. To zvyšuje ztráty v motoru. Rozdíl mezi dobrým a špatným motorem se tím stává ještě větší. Literatura: [de, 20/2004.] 1) Curierův bod (Curierova teplota, bod magnetické přeměny) – teplota, při níž zaniká feromagnetismus látek; při této teplotě tepelný pohyb atomů překoná vnitřní síly působící spontánní magnetizaci a látky se stávají paramagnetickými. 2) Při všech výpočtech a úvahách se z opatrnosti předpokládalo použití Cu97, tedy mědi s měrnou vodivostí okolo 97 % IACS (International annealed copper standard – mezinárodní standardní naměkko žíhaná měď). Jako 100% měrná vodivost čisté mědi je podle IACS udávána hodnota 57 MS/m. Existuje také technický druh mědi neboli čistá měď s hodnotou 58 MS/m, a tudíž měrná vodivost může ležet také několik bodů nad 100 % (protože se při odlévání rotoru, popř. železa, znečištění v mědi může odstranit). Proto je předpokládáno, že vyrobený rotor má pouze 97 % IACS. Této hodnoty je dosaženo využitím speciálního prášku, kterým se rotor při odlévání plní a ten se při lití odpaří nebo rozloží. | |||
