Villanymotorok hatékonysága és az EU direktívák
2015/6. lapszám | Lantos Tivadar | 17 082 |
Figylem! Ez a cikk 10 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
A készülékek többségében ma már nem lehet szabályozatlan aszinkron- motorokat használni. Az új direktíváknak megfelelően frekvenciaváltókat is be kell építeni, vagy más technológiákat kell alkalmazni. És valóban – méréssel is megbizonyosodtunk róla –, nagy különbség lehet egyes esetekben a fogyasztásban.
Drágán üzemelnek a régi motorok
A világon megtermelt villamos energia nagyobbik részét az ipar használja fel, elsősorban a villamos motorok (szivattyúk, ventilátorok, meghajtások stb.) üzemeltetésére. Egy átlagos ipari villamos motor működtetésének teljes költsége az első tíz év üzemidő tekintetében kb. 95%-ban villamosenergia-költség, ehhez képest a beszerzési ár és a karbantartás szinte elenyésző. Energiamegtakarítás szempontjából elsősorban a villamos energia felhasználásának csökkentése a cél, mert ez gyakorlatilag azonos mértékű lesz az összköltség-megtakarítással. Környezetvédelmi szempontból az sem mellékes, hogy a fogyasztás csökkenése arányos mértékben csökkenti az energiatermelés során kibocsátott üveg- házhatású gázokat is. Célszerűbb tehát jobb, korszerűbb, energiatakarékosabban üzemelő villamos motorokat szerelni az egyes készülékekbe, hiszen az Európai Unió is szigorúan szabályozza az energiafelhasználás mértékét. Egyre inkább kiszorulnak a piacról a pazarlóan működő rendszerek, ennek köszönhetően az újdonságok fejlesztésére, kutatására az eddigieknél is nagyobb hangsúlyt fektetnek. Mit is jelent ez a gyakorlatban, tekintsük például a nedves tengelyű szivattyúkat. Az új szivattyúk energiafelhasználása a korábban gyártott, átlagos műszaki színvonalú szivattyúk referencia energiafogyasztásának már csak a 23%-a lehet, azaz a forgalomba hozható szivattyúk energiahatékonysági indexe EEI<0,23 kell legyen.
A szabályozás tengerében
Az Európai Parlament 2005-ben elfogadott és hatályba léptetett ErP/EuP irányelve (2005/32/EC Directiveon Energyusing Products) az addigi jogi szabályozást egyszerűbb és kötelezően használandó egységes keretbe foglalta, érvényességi körét is kiterjesztette, azonban még nem volt meg hozzá minden szükséges eszköz (pl. szabvány), hogy a gyakorlatban is hatékonyan működjék a rendelet. Azonban 2008-ban megszülettek az IEC 60034 szabvány azon új elemei, amelyek az energiahatékonyság terén az eddigi-nél átláthatóbb helyzetet teremtettek. Ezek fontosabbjai az IEC 60034-2-1 (2007) szabvány, mely villamos motorok hatásfokának szabványos mérési módszereit rögzíti, egységesíti (a módszerek egyes megoldásai hasonlók az IEEE 112-B módszerhez), valamint az IEC 60034-30 (2008) szabvány (korlátozott érvényességgel) 3 fázisú ipari villamos motorok hatásfok, tehát energiahatékonyság szerinti osztályokba sorolását rögzíti, és előírja az alacsonyabb hatásfokú motorok fokozatos kivonását a kereskedelemből. A szabvány tehát rögzíti, hogy a hatókörébe tartozó villamos motorok hatásfokát milyen módszerrel kell szabványosan mérni, illetve, hogy mely motorméretek, -teljesítmények, -fordulatszámértékek, -konstrukció és -kivitel stb. esetében a hatásfok szerint milyen osztályokba kell az ipari motorokat besorolni. A magasabb osztályba sorolt gépek megjelöléseként elterjedt az „ecodesign motor” megnevezés. A szigorú intézkedéseket elsősorban a nagy és innovatív cégek voltak képesek teljesíteni, a szabályozással csak ők képesek versenyben maradni. A kisebb cégek többsége ezzel nehezen tudott, tud lépést tartani.
Hatékonysági osztályok
A direktíva értelmében az aszinkronmotorokra új hatékonysági osztályokat vezettek be, melyek alapján megtörténik a villamos motorok besorolása. Jelenleg négy IE (Inter-national Efficiency) osztályt különböztet meg a rendszer az európai rendeletnek köszönhetően (1. ábra).
• IE1 – standard hatásfokosztály (régi EFF2-nek felel meg, 2011. június 15-ig voltak forgalomba hozhatók),
• IE2 – magas hatásfokosztály (régi EFF1-nek felel meg, 7,5-375 kW teljesítményű motorok csak 2014. december 31-ig voltak forgalomba hozhatók),
• IE2 – magas hatásfokosztály (0,75-7,5 kW teljesítményű motorok 2016. december 31-ig még forgalomba hozhatók),
• IE3 – prémium hatásfokosztály (korlátozás nélkül forgalomba hozható),
• IE4 – szuper prémium hatásfokosztály (korlátozás nélkül forgalomba hozható).
Az aszinkronmotorokról
Manapság a legelterjedtebb és legegyszerűbb működésű motorok az iparban a háromfázisú aszinkronmotorok (AC motorok), melyek a villamos energiát alakítják át mechanikai energiává. Az esetek többségében még ma is találkozunk direkt táplálású AC motorokkal, melyek nem szabályozottak. Ezek egy üzemállapotban működnek, függetlenül attól, hogy milyen a kiterhelés. Az aszinkronmotorok szabályozásával jelentős energiamegtakarítás érhető el. Gondoljunk csak egy szivattyú működésére, melyben a villanymotor ugyanolyan fordulatszámon forog, függetlenül attól, hogy milyen tömegáramokat kell szállítania. Ahhoz, hogy rávilágítsunk, milyen lehetőségek léteznek, vizsgáljuk meg a motorokat működési szempontból.
Az aszinkronmotoroknak alapvetően két fő részük van, a forgórész (rotor) valamint az állórész (sztator). Kialakítás szerint két típust különböztethetünk meg: a csúszógyűrűs és a kalickás aszinkron gépet (2. ábra). Tipikus esetben mind a forgórész, mind az állórész lemezelt, az örvényáramú veszteségek csökkentése érdekében. Míg a csúszógyűrűs aszinkron gép forgórészén a tekercselés végpontjai ki vannak vezetve egy-egy csúszógyűrűre, addig a kalickás kialakításánál a forgórész tekercselését közvetlenül a forgórészen kialakított hornyokban hozzák létre öntési eljárással, az így kialakult rudakat a tekercsfejekben közvetlenül rövidre zárják. Így egyszerűbbé válik a kialakítás, a forgórészhornyokat a teljes keresztmetszeten ki lehet használni, lecsökken a karbantartási igény. Ugyanis nincs csúszógyűrű, valamint indító ellenállás sem. A rövidre záró gyűrűkön alakítják ki a ventilátorlapátokat, amelyek a hűtő levegőt a készüléken belül keringtetik.
Az állórészen a többfázisú tekercselés forgó mágneses teret hoz létre, amelynek erővonalai metszik a forgó rész tekercseléseit, így abban feszültség indukálódik. Mivel a tekercselés zárt vagy rövidre zárt áramkört alkot, az abban indukálódott feszültség hatására a körben áram folyik. Lenz törvénye értelmében az így indukált áram akadályozni igyekszik az őt létrehozó indukáló folyamatot. A tekercsben indukálódott feszültség következtében kialakuló áram és a mágneses mező kölcsönhatása következtében a forgórész elfordul, így igyekezvén megakadályozni az erővonalmetszést, és vele az indukciót. A forgórész lassabban forog, fordulatszáma kb. 2-3%-kal kevesebb, mint a forgó mágneses tér fordulatszáma. Ezt a csúszást nevezzük szlipnek, amely az indukció meglétének feltétele. Egy aszinkron gép fordulatszáma meghatározható a frekvencia (f), a póluspárok száma (p) és a szlip (s) segítségével, az n=(f/p)x(1-s) összefüggés segítségével. Az összefüggésből is látható, hogy fordulatszám- szabályozásra három lehetőségünk kínálkozik, vagy a frekvenciát változtatjuk, vagy a pólusszámot, vagy pedig a szlipet.
Más veszteségeket is figyelembe kell venni az aszinkronmotor esetében, ilyenek az üresjárás során meghatározható vasveszteségek, súrlódás, rövidzárás során meghatározható tekercsveszteségek, légrésveszteségek stb. Ezek a tényezők mind meghatározzák a motor energiafogyasztását.
Szabályozás
Pólusváltós motorokat elsősorban kalickás kivitelben készítenek. A motorok fordulatszámának változtatása nem folyamatos, hanem kettő vagy négy lépésben történhet. Olyan helyeken használják, használták (manapság visszaszorulóban van a felhasználásuk), ahol széles fordulatszám-tartomány átfogása volt a cél. Méretük jóval nagyobb, mint a kötött pólusú, hasonló teljesítményű motoroké, ennek oka, hogy a méretezés során minden részszámításkor a kedvezőtlenebb pólusszámhoz tartozó értékeket kell figyelembe venni.
A szlip változtatásával is szabályozható a fordulatszám. Erre többféle módszer is kínálkozik, egyrészt a tápláló feszültség változtatásával, illetve csúszógyűrűs motor esetén a forgórész áramkörébe iktatott ellenállások értékének változtatásával. Azonban állandó üzemre ez a megoldás csak ritkán alkalmas, mivel a szlip növekedésével a forgórészveszteség is növekszik, így a forgórész jobban melegszik, illetve a motor hatásfoka leromlik.
Frekvenciaváltós aszinkronmotorok
A fentiekben megállapítottuk, hogy az energiahatékony működéshez az aszinkron villanymotorokat szabályoznunk kell. A szabályozás legkézenfekvőbb és legjobb módja pedig a frekvencia változtatása frekvenciaváltók segítségével. A hálózati frekvencia változtatásával a motorok fordulatszáma fokozatmentesen változtatható. Statikus félvezetőkkel a frekvencia értékét változtatva aszinkronmotoroknál a legjobb hatásfokú üzemet tudjuk megvalósítani.
Frekvenciaváltókat már régóta gyártanak, ősük már a Kandó mozdonyokban is megtalálható volt, igaz más elven működött, mint a modern frekvenciaváltó berendezések. Ha megvizsgáljuk az aszinkronmotorok nyomatéki görbéjét, akkor megfigyelhető, hogy a hajtó frekvencia hatására a vízszintes tengely mentén jobbra, balra eltolható, így alkalmas a fordulatszám változtatására. Tudjuk, hogy a motor teljesítménye arányos a fordulatszám és a nyomaték szorzatával, melyből következik, hogy kisebb fordulatszámhoz kevesebb teljesítmény tartozik, azaz az alacsonyabb fordulatszámon üzemeltetett aszinkron gép kevesebb áramot vesz fel a hálózatból. Az is látszik, hogy a motorok a névleges nyomatékának többszörösével túlterhelhetők (max.150%-kal 60 másodpercig), amelynek értéke elsősorban a motor megfelelő hővédelmétől függ. Alacsony fordulatszámon is kritikussá válhat az üzem, mert a tengelyre szerelt ventilátor a lassú forgás hatására már nem képes elegendő hűtőlevegőt szállítani, és a keletkező veszteséghő miatt a motor túlmelegedhet. A maximális túlterhelésre és részüzemre a gyártók határoznak meg adatokat. Általános ökölszabályként elmondható, hogy a névleges fordulatszám feléig leszabályozható a motor fordulatszáma, utána csak teljesítménycsökkentéssel üzemelhet. A maximális fordulatszámot a motor mechanikai határfordulatszáma korlátozza be, melyet általában a gyártók a kétszeres névleges fordulatszámban adnak meg. A névleges frekvencia feletti tartományban azonban a motor fluxusa a fordulatszámmal fordított arányban csökken, és ennek megfelelően a motor terhelhetősége is.
A frekvenciaváltó működése
Tekintsük át, hogyan is működik valójában egy egyszerű frekvenciaváltó. A frekvenciaváltó lényegében egy vezérelt egyenirányító és egy váltóirányító (inverter), melyet a közbenső köri részen egy egyenáramú kör köt össze. A betáplált feszültség kisebb teljesítményeknél lehet egy- vagy háromfázisú, nagyobb teljesítményeknél kizárólag háromfázisú. A betáplált áramot diódás híd egyenirányítja, és a közbenső köri kondenzátorokat táplálja. A kondenzátorok egyrészt simítják a feszültség hullámosságát, másrészt kisebb hálózati ingadozásoknál tartják a feszültségszintet is. A közbenső köri egyenfeszültség többnyire ugyanis szabályozatlan, így a tápfeszültség csúcsértéke határozza meg az értékét. A közbenső köri egyenfeszültség impulzusszélesség-moduláció segítségével ismét váltakozó feszültséggé alakul. A kívánt hullámforma a kimeneti tranzisztorok (IGBT) meghatározott frekvenciával (kapcsolási frekvencia) történő ki- bekapcsolásával hozható létre, ami mint kimeneti feszültség tulajdonképpen egy négyszöghullám-sorozatot eredményez. A kimeneti kapcsolóelemek vezérlését a szabályozó elektronika látja el, melynek feladata a motor fordulatszám- és áramszabályozásának az ellátása és a kapcsolási kép előállítása. A kimeneti frekvenciát tehát az inverterrel állíthatjuk be (3. ábra).
Állandó mágneses forgórészű szinkronmotorok
Az aszinkronmotorok alternatívájaként szokták emlegetni az állandó mágneses forgórészű szinkronmotorokat, melyek az energiahatékonysággal kapcsolatos direktíváknak még jobban megfelelnek. Takarékos működésük, jobb hatásfokuk mindinkább a széleskörű elterjedés irányába mutatnak. Az EC (Electronically Commutated) motorok az egyenáramú motorok hagyományos szénkefés kommutációja helyett kefe nélküli, elektronikusan vezérelt kommutációt alkalmaznak egyenáramú megtáplálással (4. kép).
Manapság már 7 kW-ig gyártanak EC motorokat. Ennek megvalósításához a gyártók a motor tekercselését állandó mágnesekkel helyettesítik, kommutációs áramköri elemeket építenek be, így kiküszöbölhető a szénkefék mechanikus kopása. Egy EC motorban az elektromágnesek nem mozognak, helyettük az állandó mágnesek forognak, és az armatúra marad nyugvó, így a mozgó armatúrába könnyen átvihető az áram. Az állórész egyszerűen tekercspárokból áll, melyek egy ferromágneses lemezekből álló magon vannak. A kefe-kommutátor rendszert felváltja egy elektronikus vezérlő. A vezérlő hasonlóan osztja el az áramot, mint az egyenáramú kefés motornál történik, de ez egy félvezetős áramkör a kefe-kommutátor rendszer helyett. A tekercspárokra egymás után kapcsol feszültséget a vezérlő, így jön létre a forgó mágneses mező.
Az állandó mágneses motoroknak 1-10%-kal jobb a hatásfokuk, mint egy átlagos hárompólusú aszinkronmotornak, mert az állandó mágnesek miatt a forgórész-veszteségek gyakorlatilag elkerülhetők. Ez függ az aszinkronmotor minőségétől és a teljesítménytartományától, nagyobb teljesítménytartományoknál a hatásfokok közti eltérés lecsökken. Ami azonban még számottevőbb, hogy alacsony fordulatszámon, részterheléses üzemben (az esetek 80%-a ilyen) jelentős mértékben jobb az EC motorok hatásfoka, mint akár az AC, akár a frekvenciaváltós AC motorok esetében (5. kép).
Nem a levegőbe beszélünk
A fent említett három motort (AC motor, frekvenciaváltós AC, valamint EC motor + frekvenciaváltó) energiahatékonyság szempontjából módunk volt összehasonlítani. Az egyik vezető szivattyúgyártó, -forgalmazó budaörsi telephelyén volt elhelyezve a mérési összeállítás. A mérés lényege, hogy öszszehasonlítottuk különböző térfogatáramok mellett a 3 szivattyú teljesítményfelvételét (1. táblázat). A szükséges munkapont Q=14 m³/h és H=40 m volt. Mértünk részterhelésen is, 5 m³/h teljesítménynél.
A szabályozatlan AC motorral meghajtott szivattyú nem tud leszabályozni 40 m nyomásra (mivel csak 50 Hz frekvencián hajt), ezért feleslegesen sok villamos energiát vesz fel. A frekvenciaváltós AC már jobb, mert alacsonyabb fordulaton működik, hiszen ez is elég a 40 m tartásához (főleg részterhelésen, 5 m³/h esetén). Az EC motoros szivattyú pedig jelentősen kevesebb energiát vesz fel, mint az első két eset. A mérés azt bizonyítja, hogy érdemes jó hatásfokú, szabályozott szivattyúkat használni, főleg olyan területeken, ahol magasabb az üzemidő.
