Około 2/3 energii elektrycznej zużywanej przez światowy przemysł konsumowane jest przez silniki elektryczne. Zgodnie z badaniami zleconymi przez Komisję Europejską, zwiększenie sprawności wszystkich silników elektrycznych pracujących na terenie Unii Europejskiej o 20-30% pozwoliłoby na redukcję zużycia energii elektrycznej o 135 mld kW rocznie, jak również poskutkowałoby redukcją emisji COz na poziomie 63 min ton. Już tylko na podstawie tych informacji stwierdzić można, że kwestia sprawności silników elektrycznych powinna być fundamentalna, jeśli chodzi o redukcję zużycia energii, a co za tym idzie, redukcję emisji CO2.

Sprawność

Sprawność silnika elektrycznego definiowana jest jako stosunek mocy mechanicznej oddawanej na wale silnika do mocy elektrycznej pobranej przez silnik z sieci. Część energii elektrycznej, która nie jest zamieniana w energię mechaniczną w tym procesie, stanowi straty, które w klasycznym asynchronicznym silniku klatkowym rozkładają się na: straty w uzwojeniach stojana (ok. 35% wszystkich strat), straty w wirniku (20%), straty w stali (20%), straty związane z tarciem (10%) oraz straty dodatkowe (15%).

Redukcja strat, a co za tym idzie, zwiększenie sprawności silnika osiągane są głównie na dwa sposoby. Pierwszy z nich to redukcja każdej ze składowych strat poprzez optymalizację konstrukcji, użycie lepszej jakości materiałów (stal, miedź) i podzespołów (np. łożyska). Metoda ta pozwala niestety tylko na nieznaczną poprawę sprawności silnika. Znacznie efektywniejszą metodą okazuje się całkowite wyłączenie jednej z wyżej wymienionych składowych poprzez zmianę konstrukcji silnika. Przykładem takiego rozwiązania są reluktancyjne silniki synchroniczne, w których poprzez zastosowanie specjalnej konstrukcji wirnika pozbawionego klatki całkowicie wyeliminowana została składowa strat w klatce wirnika. Rozwiązanie tego typu pozwala na znacznie większe podniesienie sprawności w porównaniu do wcześniej opisanego, pomimo iż silnik taki, ze względu na swoją konstrukcję, musi być zasilany poprzez przetwornicę częstotliwości.

Dostarczane przez ABB pakiety napędowe, składające się z silnika reluktancyjnego wraz z przetwornicą częstotliwości wyposażoną w specjalne dedykowane oprogramowanie, pozwalają na osiągniecie klasy sprawności całego pakietu na poziomie IE4. Ze względu na fakt, że silnik reluktancyjny jest konstrukcją synchroniczną, rozwiązanie takie, poza bardzo wysoką sprawnością, pozwala także na precyzyjną kontrolę prędkości i momentu w szerokim zakresie regulacji, nawet bez użycia urządzeń sprzężenia zwrotnego. Dostępne w ofercie ABB rozwiązania pozwalają na użycie takich pakietów do sterowania dowolnymi aplikacjami i osiągają wysoką sprawność zarówno w punkcie pełnego obciążenia, jak i w szerokim zakresie regulacji prędkości.
W związku z coraz to nowymi zaostrzeniami przepisów odnośnie do sprawności, jak również ograniczeniami wynikającymi z kwestii materiałowych, można powiedzieć, że przyszłość należy do takich właśnie konstrukcji.

Podstawy prawne

Ze względu na fakt znacznego zużycia energii elektrycznej przez silniki elektryczne ustawodawcy w wielu krajach wprowadzili lub przygotowują się do wprowadzenia prawnych regulacji odnośnie do minimalnych poziomów sprawności silników elektrycznych. Unia Europejska, a co za tym idzie także Polska znajdują się w światowej czołówce pod względem opracowywania i wdrażania prawnych regulacji dotyczących problemu efektywności energetycznej silników elektrycznych. Podwalinami do wprowadzenia takich regulacji stała się Dyrektywa dotycząca Ekoprojektu (Ecodesign Directive) na kanwie której, w 2009 roku Komisja Europejska opublikowała Rozporządzenie (UE) 640/2009 definiujące zakres silników objętych regulacjami sprawnościowymi, poziomy dla poszczególnych klas sprawności, sposób oznaczenia oraz wyłączenia z regulacji. Rozporządzenie to, znane jest szerzej pod nazwą EU MEPS (Minimal Efficien-cy Performance Standard - Minimalny Standard Wydajności Energetycznej). EU MEPS technicznie oparty jest o dwie normy Międzynarodowej Komisji Elektromechanicznej IEC. Sprawność mierzona jest przy użyciu metod zdefiniowanych w normie IEC/EN 60034-2-1:2007, zakres stosowania oraz klasy sprawności zdefiniowane są na bazie normy IEC/EN 60034-30. Ta ostatnia norma została zastąpiona nową rewizją IEC/EN 6003430-1 w marcu 2014 roku.

Czteroletni okres obowiązywania Rozporządzenia (UE) 640/2009 uwidocznił pewne niedociągnięcia, objawiające się w zbyt swobodnej jego interpretacji przez producentów silników. W celu wyeliminowania luk oraz zapewnienia jednoznacznej interpretacji 27 stycznia 2014 roku Komisja Europejska wydała nowe Rozporządzenie (UE) 4/2014, zaostrzające, precyzujące i wyjaśniające zapisy oryginalnej regulacji EU MEPS. Główne zmiany wprowadzono w Punkcie 2 Artykułu 1 (tabela 1). Rozporządzenie, zgodnie z cyklem legislacyjnym Unii Europejskiej, wejdzie w życie 27 lipca 2014.

ABB, zaangażowane na szeroką skalę w sprawę rozwoju MEPS, postrzega to rozporządzenie jako ważny przyczynek do podniesienia ogólnej sprawności jednostek napędowych użytkowanych na terenie Unii Europejskiej.

Grzegorz Gala - ABB Sp. z o.o.