Účinnost elektrických motorů a snižování spotřeby elektrické energie

 

Trend současné doby je zaměřen na snižování spotřeby elektrické energie. Jedním z významných hledisek, která mohou vést ke značným úsporám, je sledování účinnosti elektrických motorů. Účinnost η je poměr mezi mechanickým výkonem na hřídeli (P₂) a elektrickým příkonem na svorkách statorového vinutí (P₁). Větší účinnost znamená, že motor přeměňuje elektrický příkon na mechanický výkon s menšími ztrátami. Tento údaj o motoru tak může být kamínkem na misce vah rozhodujícím o pořízení nového motoru. Účinnost motoru je natolik významným pojmem, že v současné době probíhají i některé změny v legislativě. Cílem je stanovení pravidel pro výrobce a spotřebitele tak, aby technicko-ekonomické posuzování bylo sjednocené a jasně definované.

Účinnost motoru je měřítkem, jak přeměňuje motor elektrickou energii na užitečnou práci. Ztráty v tomto procesu způsobují oteplování motoru. Účinnost motoru tedy závisí na ztrátách motoru. Ztráty v motoru lze rozdělit do pěti hlavních oblastí (obr. 1):

Mechanické ztráty vnikají třením v ložiskách a patří mezi ně zejména ztráty ventilační. Ztráty třením v ložiskách jsou u zaběhaného motoru a při stálé teplotě prakticky lineárně závislé na otáčkách, zatímco ztráty ventilační závisí na vyšší mocnině otáček.

 

Vypočet ztrát v železe je méně přesný z důvodu nelineárních magnetizačních charakteristik materiálů, které tvoří magnetický obvod motoru. Ztráty v železe lze rozdělit na ztráty hysterezní a na ztráty vířivými proudy. Tyto ztráty lze určit na základě vztahu, kde se vyskytuje hysterezní materiálová konstanta, magnetická indukce, frekvence, hmotnost a činitel charakterizující daný druh materiálu.

Ztráty ve vinutí statoru a rotoru lze určit z proudové hustoty v drážce, proudu procházejícího vodiči drážky, z počtu závitů v drážce, z geometrie drážky, měrného odporu materiálu vinutí a délky vinutí.

Ztráty přídavné jsou obvykle vířivého charakteru a jsou způsobovány rozptylovými toky prostorových harmonických, nerovnoměrnostmi ve vzduchové mezeře a pulzací toku. Definovat přídavné ztráty je proto mnohem složitější.

Při návrhu motoru je proto nutné z konstrukčního hlediska zvážit vliv všech výše uvedených prvků, přičemž základním omezením je normami definovaná velikost kostry. Ztráty v železe lze ovlivnit použitím kvalitních materiálů, ztráty ve vinutí rotoru lze snížit zvětšením rozměrů tyčí a kruhů, což vede ke snížení odporu. Na ztráty ve statorovém vinutí má vliv návrh rozměrů drážky a tloušťka izolace – zmenší-li se, lze zvýšit průřez vodičů ve statoru. Mechanické ztráty dané odporem vzduchu a ztráty třením v ložiskách mohou být redukovány částečně výběrem kvalitních ložisek a těsnění a zvláště optimalizovaným návrhem chladicího ventilátoru. Motor s větší účinností má menší ztráty, proto může mít menší ventilátor, což vede rovněž ke snížení hladiny hluku. Významným prvkem pro návrh motoru je velikost vzduchové mezery mezi rotorem a statorem. Větší vzduchová mezera snižuje výrobní náklady. Všeobecně menší vzduchová mezera zlepšuje účinnost a účiník motoru. Extrémní zmenšování rozměrů vzduchové mezery vede dokonce k ještě lepšímu účiníku. Účinnost se ale zmenšuje a navíc je třeba posoudit vibrace motoru.

 

Při použití kvalitních materiálů a menšího ventilátoru přinášejí motory s větší účinností kromě úspor ve spotřebě elektrické energie také delší dobu životnosti, menší nároky na údržbu, menší hlučnost a rovněž snížení emisí CO2. Elektrické motory jsou stále tažným koněm průmyslu a představují kolem 65 % spotřeby elektrické energie. Použití motorů s větší účinností se jistě vyplatí, neboť náklady na spotřebu elektrické energie během jejich životnosti jsou stokrát vyšší než náklady na jejich pořízení.

Rozdělení účinnostních tříd podle evropských směrnic, které platilo od roku 1998, stanovuje tři třídy účinnosti motorů, a to EFF1, EFF2 a EFF3, kde EFF1 představuje největší účinnost. Příklad účinností pro čtyřpólové motory ABB, napětí 400 V, 50 Hz, zatížení S₁, výkony 1,1 až 90 kW je na obr. 2.

 

ABB nabízí výpočetní program, ve kterém lze jednoznačně stanovit úspory elektrické energie při použití motorů EFF1 místo EFF2.

 

Toto rozdělení bylo založeno na měření účinnosti podle EN/IEC 60034-2:1996. V současné době je tato norma nahrazována EN/IEC 60034-2-1:2007 (ČSN EN 60034-2-1:2008 Točivé elektrické stroje – Část 2-1: Standardní metody určování ztrát a účinnosti ze zkoušek – s výjimkou strojů pro trakční vozidla), kde jsou stanovena nová pravidla pro testování motorů za účelem stanovení ztrát a účinnosti. Během přípravy revize normy IEC 60034-2:1972 a dodatku IEC 60034-2 A1:1995 a IEC 60034-2 A2:1996 bylo odsouhlaseno její rozdělení do tří sekcí:

Změna normy EN/IEC 60034-2:1996 byla iniciována především pro třífázové asynchronní motory pro napětí do 690 V a ve výkonovém rozsahu od 1 do 100 kW. Zde se totiž ukázalo, že určení přídavných ztrát jako 0,5 % příkonu je příliš malé. Právě tak tolerance účinnosti 15 % podle IEC 60034-1 pro motory do 150 kW vede ke značně optimistickým hodnotám.

Měření účinnosti může být buď přímé, nebo nepřímé. Při přímém měření je příkon motoru měřen wattmetry, výkon na hřídeli motoru je určen z otáček a momentu. Nepřímé měření je založeno na měření příkonu a výpočtu výkonu ze ztrát v motoru. Rozdíl mezi starým a novým určováním účinnosti je uveden v tab. 1.

 

Výrobce si může vybrat, kterou metodu pro měření účinnosti zvolí. V dokumentaci k motoru však musí být jednoznačně uvedeno, na jakém principu byla účinnost měřena. Je jasné, že pro porovnání účinnosti motorů od různých výrobců je třeba vždy vybrat stejnou metodu měření. Katalogy ABB pro motory nn daných výkonů v současné době uvádějí účinnosti podle EN/IEC 60034-2:1996 i podle EN/IEC 60034-2-1:2007, a to jak pro plné zatížení, tak pro ¾ zatížení.

 

V tab. 2 jsou pro porovnání uvedeny výsledky určení účinnosti čtyřpólového motoru různými způsoby. Přídavné ztráty určované odhadem byly odečteny z grafu na obr. 3 podle citované normy.

 

Z uvedeného je zřejmé, že nový systém pro určení účinnosti při použití nepřímé metody a určení přídavných ztrát měřením vede k přesnějším výsledkům. Tento způsob si pro měření účinnosti motorů nn vybralo ABB. Další sporný bod, a to tolerance uváděné účinnosti η podle IEC 60034-1:2004, která je –15 % (1 – η_kat) pro motory do 150 kW včetně a –10 % (1 – η_kat) pro motory nad 150 kW, se společnost ABB jako výrobce motorů rozhodla řešit tak, že v katalogu uvádí hodnoty určené jako jedna třetina z hodnoty povolené. Pro názornost je uveden příklad v tab. 3. Tímto způsobem ABB udává hodnoty η na bezpečné straně (tj. nepatrně horší než skutečnost).

Vzhledem k tomu, že stále platí rozdělení účinnostních tříd EFF1, EFF2 a EFF3, založené na určování účinnosti podle EN/IEC 60034-2:1996, pracuje se v současné době na nové normě IEC 60034-30, která bude nově definovat třídy účinnosti třífázových asynchronních motorů do 1 000 V o výkonech 0,75 až 200 (370) kW. Tato norma by měla vstoupit v platnost v roce 2009. Připravuje se rozdělení do následujících tříd:

Zahrňte do svých výpočtů hledisko účinnosti motoru a uspoříte.

[Interní materiály ABB.]

 

Další informace lze získat na adrese:

Sokolovská 84–86

186 00 Praha 8

mobil: 731 552 253

fax: 243 322 310

e-mail: nadezda.pavelkova@cz.abb.com

 

 

Tab. 2. Příklad výpočtu účinnosti pro čtyřpólový motor (11 kW, ΔT 56 K)