Univerza v Ljubljani Fakulteta za matematiko in fiziko Seminar VARČNI ELEKTROMOTORJI Avtor: Matej Debenc Mentor: dr. Boštjan Golob FMF Somentor: mag. Tomaž Fatur CEU IJS Ljubljana, Januar 6 Povzetek Zniževanje porabe električne energije z večjo energetsko učinkovitostjo je pomemben cilj v vsaki razviti državi. Glavni učinki izboljšav so zmanjšanje stroškov za energijo in s tem povezani pozitivni vplivi na gospodarstvo, povečanje zanesljivosti oskrbe z energijo in zmanjšanje negativnih vplivov na okolje (globalno segrevanje). Elektromotorji v industriji porabijo za svoje delovanje več kot 35% celotne električne energije v Sloveniji, oziroma 6-8% električne energije, ki se porabi v industriji. Prav njihova široka uporaba in razsežnost jih postavlja na prvo mesto pri možnostih za doseganje prihrankov pri električni energiji. Ker porabijo ogromno energije, se že majhne izboljšave lahko pokažejo v velikih prihrankih.
Kazalo 1. Uvod 3. Elektromotor 3.1. Moč v trifaznih sistemih 3.. Vrteče magnetno polje 4.3. Asinhronski motor 6 3. Zmanjšanje porabe energije motorjev 7 3.1. Izkoristek motorja 7 3.. Izgube 9 3.3. Faktor moči 1 4. Bremena elektromotorjev 14 5. Zaključek 16 6. Literatura 16
1. Uvod Elektromotorji so največji porabniki električne energije, saj se uporabljajo za izredno široko vrsto aplikacij: pri ventilatorjih, črpalkah, kompresorjih, mlinih, navijalnih strojih, dvigalih, transportih, gospodinjskih aparatih, pisarniški opremi itd. Izboljšave pri delovanju motorja dosežemo na dva načina. Prvi je, da izboljšamo samo delovanje motorja (zmanjšamo toplotne izgube), drugi pa, da izboljšamo delovanje bremena, ki ga motor poganja, saj breme ni vedno optimalno za motor ali pa je celo neustrezno. Izboljšano delovanje elektromotorjev dosežemo z uporabo energetsko varčnih elektromotorjev, z uporabo elektronske regulacije hitrosti vrtenja, izboljšavami v mehanskem prenosu, z zmanjšanjem trenja med gibajočimi elementi, uporabo drugačnih materialov pri izdelavi motorjev, z ustreznimi bremeni. Elektromotor.1. Moč v trifaznih sistemih V izmeničnih sistemih moč, tok in napetost določajo 1,3 ohmski (električni vodniki), induktivni (tuljave) ter kapacitivni porabniki (kondenzatorji). Če imamo v vezju zaporedno vezane upornik, tuljavo in kondenzator, izračunamo njihovo skupno impedanco kot: Z = R + i( ωl 1/ ωc), (.1.1) kar zapišemo v naslednji obliki: Slika.1.1. Kazalčni diagram iϕ Z = Z e (.1.) ( ωl 1 ωc) Z = R + / (.1.3) ωl 1/ ωc tan ϕ =. (.1.4) R Od tod lahko izrazimo cos ϕ, kar imenujemo faktor moči. Če tako vezje priključimo na izmenično sinusno napetost lahko določimo tok v vezju po ohmovem zakonu: U = U e iω t (.1.5) iω t iϕ i( ω t ϕ ) I = U e / Z e = I e. (.1.6) Moč takega porabnika izračunamo kot produkt toka in napetosti: 3
P = i( ω ϕ ) [ ] t Re I U e, (.1.7) povprečno moč v času pa kot: P = 1 I U cosϕ = U I ef ef cosϕ. (.1.8) Podobno velja za trifazni sistem (faze R,S,T), kjer so napetosti faz med seboj premaknjene za tretjino nihaja, tako da velja: U RO = U cos( ω t + / 3) U SO = U cos( ω t + / 3) U cos( ωt) π π U TO =. (.1.9) Med faznimi vodniki so medfazne napetosti. Zanje dobimo z adicijskimi teoremi naslednje izraze: U SR = U SO U RO = 3U cos( ω t + π / 3) (.1.1) U U TS RT ( ω + / 3) ( ωt) = U U = 3U cos t π TO SO = U RO U RO = 3U cos. Sedaj vidimo, da je amplituda medfazne napetosti za faktor 3 večja kot amplituda fazne napetosti, podobno lahko izračunamo, da to velja tudi za tokove in efektivne vrednosti napetosti in tokov. Moč trifaznega sistema izračunamo tako, da seštejemo enofazne moči. Predpostavimo, da so na vseh treh fazah enaki porabniki: P = P + P + P = P = 3U I cosϕ. (.1.11) R S T 3 ef ef Če sedaj upoštevamo še, da je efektivna medfazna napetost za faktor 3 večja od efektivne fazne napetosti (enačba.1.1), dobimo končen izraz za moč trifaznega porabnika: f P = U ef I cosϕ, (.1.1) 3 ef kjer je f U ef efektivna medfazna napetost (38V)... Vrteče magnetno polje Če postavimo tri tuljave 1, ki so prostorsko med seboj premaknjene za 1 in po vsaki izmed njih tečejo tokovi: I R = I cos( ω t + / 3) I S = I cos( ω t + / 3) I cos( ωt) π π I T =, (..1) 4
nastane v sredini tuljav vrteče se magnetno polje. V vsaki tuljavi nastane magnetno polje z gostoto, ki ima smer geometrijske smeri in ki niha sočasno s tokom po tuljavi. Ko seštejemo polje vseh treh tuljav v sredini po komponentah, dobimo: B x B y 3 { cos( ωt) cos( π / 3) cos( ωt + π / 3) cos( π / 3) cos( ωt + π / 3) } B cosωt 3 { ( π / 6) cos( ωt + π / 3) cos( π / 6) cos( ωt + π / 3) } B sinωt = B (..) = B = cos = B je gostota magnetnega polja ene tuljave na geometrijski osi tuljave (slika..). Slika..1: Okvir v mag. polju Slika..: Vrteče mag. polje za različne čase Ko damo v tako vrteče se magnetno polje okvir (slika..1), se začne vrteti. Dokler se v okvirju spreminja magnetni pretok, s tem ko se vrti magnetno polje, se v njem inducira tok. I U i = R = 1 R dφ dt (..3) Magnetni pretok skozi okvir je: v v Φ = B S = BS cos( ω ω' )t (..4) Tukaj sta R in S upornost in presek okvirja, ω frekvenca magnetnega polja in ω ' frekvenca okvirja. Navor, ki deluje na okvir v magnetnem polju, po katerem teče induciran tok je: M [( ω ω' ) t] R s = ISB sin( ω ω' ) t = ( ω ω' ) B S sin / (..5) ter moč takega okvirja: [( ω ω' ) t] R P = ω' ( ω ω' ) B S sin /, (..6) ali povprečno po času: P = ω '( ω ω' ) B S / R s(1 s). (..7) Iz te enačbe vidimo, da je moč enaka nič, če sta obe krožni frekvenci enaki, ker se takrat v okvirju ne bi spreminjal magnetni pretok, ki bi induciral tokove in povzročal navor, saj bi se 5
okvir vrtel skupaj z magnetnim poljem. Največjo moč določimo z odvajanjem izraza..7 po ω ' in dobimo, da je ta največja, ko je ω ' = ω /. Razmerje med obema krožnima frekvencama nam podaja»slip«motorja: ω ω' s =. (..8) ω Torej je moč okvirja največja, ko je tudi s =1/. Toplota, ki se izgublja na okvirju, je enaka: P Q = I R = ( ω ω' ) B S / R s. (..9) S tem smo opisali model asinhronskega motorja. Taki motorji so zaradi enostavne izvedbe in zanesljivosti najširše uporabljeni elektromotorji. Asinhronske jih imenujemo zato, ker je frekvenca kroženja rotorja asinhrona frekvenci električne napetosti. Največ zaslug za njihovo uporabo pa ima Nikola Tesla..3. Asinhronski motor Realni asinhronski motorji niso sestavljeni samo iz okvirja, ampak iz kratkostične kletke, ki ima veliko okvirjev, poleg tega pa imajo še ventilator za hlajenje in ležaje ter več parov tuljav. Slika.3.1. Prerez asinhronega motorja s kratkostično kletko Stator in rotor sta srce asinhronega motorja, v prvem so tuljave, ki ustvarjajo magnetno polje, drugi pa v rotorju inducira tokove. Oba sta izdelane iz lameliranega železa, kar zmanjša inducirane tokove v železu. Na statorju so bakrena navitja. Pri kratkostični kletki pa so okvirji praviloma aluminijasti; v rotorskih utorih so palice, ki so zamaknjene pod majhnim kotom glede na os rotorja, da zmanjšajo neenakomernost navora v odvisnosti od kota rotorja glede na stator,»kletka«pa je stalno povezana v kratek stik (slika.3.3). 6
Iz enačbe..5 vidimo, da je navor motorja sorazmeren slipu (slika.3.), kar pomeni, da povečanje slipa povzroči večji navor, vendar le do neke vrednosti navora. To točko imenujemo omahni navor M OM. Če slip nato še povečujemo se navor naglo zmanjša. Slip 1 dosežemo tik po zagonu motorja, ko se magnetno polje že vrti, rotor pa še ne. Takrat na rotor deluje zagonski navor M. Z Slika.3.: Navor odvisen od slipa 4 Slika.3.3 Kratkostična kletka Glede priključitve trifaznega elektromotorja na električno omrežje pa poznamo dva načina; trikot in zvezda. Slika.3.4: Priključitev v načinu trikot (levo) in priključitev v načinu zvezda (desno) Razlika med njima je ta, da je napetost na tuljavah v priključitvi trikot medfazna, v priključitvi zvezda pa fazna, torej za faktor 3 manjša kot v prvem primeru. Za tokove pa velja ravno nasprotno. Pri realnih motorjih se uporablja oba načina, tako da pri zagonu motorja uporabimo zvezda priključitev, kasneje med delovanjem pa preklopimo na način trikot. S tem zmanjšamo velike zagonske tokove, ki nastajajo, dokler motor ne doseže delovne frekvence kroženja ω '. 3. Zmanjšanje porabe energije motorjev 3.1. Izkoristek motorja Izkoristek motorja je mera,6, ki nam pove zmožnost motorja, da pretvori električno energijo v mehansko: 7
P meh el izgube η = =, (3.1.1) P el P P P el Če sedaj uporabimo izraz za električno moč iz enačbe.1.1, dobimo naslednjo relacijo za izkoristek: Pizgube η = 1 f. (3.1.) 3U I cosϕ ef Za učinkovito delovanje motorja želimo imeti velik izkoristek. To dosežemo tako, da zmanjšamo izgube, povečamo faktor moči ali moč. Tudi mehanska moč, ki jo oddaja motor, je pomembna pri izkoristku in faktorju moči. Če motor ne ustreza bremenu se lahko izkoristek hitro poslabša. To vidimo iz spodnjih izrazov za izkoristek (izraz 3.1.1) in faktor moči v odvisnosti od mehanske moči: ef in P η ( P) = (3.1.3) P + P izgube ( Z ) Re P cosϕ ( P) = =, (3.1.4) Z P + Q kjer sta P in Q( U, C, L,ω) izgube Q = konstanti za nek motor. Na sliki 3.1.1 sta prikazana poteka izkoristka in faktorja moči pri realnih motorjih. Slika 3.1.1: Izgube in faktor moči asinhronega motorja. P je moč, za katero je bil motor narejen 8
3.. Izgube Izgube v elektromotorju delimo na štiri skupine. To so izgube v statorju in rotorju, izgube v železu, izgube zaradi trenja in ventilacije, ter dodatne izgube (prisotnost višjih harmonskih komponent v električnem toku). Deleži teh izgub so predstavljeni na spodnji sliki 3..1. Slika 3..1: Izgube motorja v odvisnosti od toka Izgube v statorju, oziroma rotorju so odvisne od toka in upornosti navitja ali materiala po katerem teče tok. Izgube (tu gre za toplotne izgube) izrazimo kot: P l S = ξ I (3..1) Če želimo zmanjšati izgube navitja moramo zmanjšati upornost vodnikov navitja. To storimo tako, da uporabimo materiale z manjšo specifično upornostjo ali pa uporabimo debelejše vodnike. To ima za posledico, da so taki motorji večji in težji pri enaki moči, kot energijsko neučinkoviti. Podobno velja tudi za izgube v rotorju, le da v primeru asinhronskega motorja tam nimamo navitja, ampak prevodne palice, pri katerih lahko na enak način kot v statorju zmanjšamo upornost. Te so vstavljene v rotor, ki je prav tako iz prevodnega materiala, le da ima večjo upornost, tako da tok lažje teče po palicah, te pa so na konceh sklenjene v prevodni obroč. Izkoristek rotorja pa je odvisen še od slipa motorja: η =1 s (3..) Te izgube so posledice tega, da magnetni pretok skozi okvir ni maksimalen, saj sta smeri magnetnega polja in okvirja vedno zamaknjena. Za asinhronske motorje velja, da je slip 9
vedno različen od nič, zato teh izgub ne moremo odpraviti, lahko pa jih poskušamo zmanjšati. To storimo s povečanjem magnetnega pretoka skozi kratkostično kletko, kar pa zopet dosežemo s povečanjem dimenzije motorja in z uporabo materiala z veliko magnetno permeabilnostjo. Φ v v = B S = µµ m N l IS. (3..3) Drugi del izgub predstavljajo izgube v železu. Te so sestavljene iz histereze in vrtinčnih tokov. Vrtinčne tokove lahko zmanjšamo z laminacijo železa (ponavadi so lamele debele do mm). Tanjše kot so lamele, manjše so izgube, vendar pri pretankih lamelah nastopijo težave z mehanskimi lastnostmi. Lamele so med seboj izolirane z neprevodnim lakom, da ne morejo nastajati vrtinčni tokovi večjih razsežnosti. Histerezne izgube pa lahko predstavimo, te so posledica lastne magnetizacije materiala, kot ploščino histerezne krivulje, oziroma: P = V B( H ) dh (3..4) t Zaradi teh izgub se feromagnetno železo greje. Zanje pa še velja, da so odvisne od frekvence. Če povzamem, izgube v železu lahko zmanjšamo tako, da izberemo majhno laminacijo, izberemo material, z majhno koercitivno jakostjo in veliko permeabilnostjo. In kakšni so ti materiali? Slika 3..: Histerezna krivulja Silicijevo transformatorsko jeklo je posebna oblika jekla, ki vsebuje relativno velik delež silicija (3-4.5%) za doseganje določenih magnetnih lastnosti, kot so majhne magnetne izgube (histereza) in velika permeabilnost. Transformatorsko jeklo običajno nima drugih elementov kot silicij, vendar je včasih dodano do.5% aluminija. Večja količina silicija in hkrati večja električna upornost zmanjša vrtinčne tokove in koercitivno jakost histereze v transformatorskem jeklu kar zmanjša magnetne izgube. Vseeno pa več silicija spremeni mehanske lastnosti jekla, to se kaže predvsem v težji obdelavi materiala. Vrednosti ogljika, sulfatov, kisika in dušika morajo biti majhne, ker povečujejo vrtinčne tokove in histerezne izgube in zmanjšujejo permeabilnost. Ogljik povzroča najslabše lastnosti, hkrati pa povzroča tudi magnetno staranje, kar čez čas poveča izgube. Njegova vrednost je tipično manjša kot.5%. Poznamo dve osnovni obliki transformatorskega jekla: neorientirane in orientirane v smeri delcev. Orientirano transformatorsko jeklo ima običajno 3% silicija in je obdelan tako, da ima optimalne magnetne lastnosti v smeri lamelnih trakov. Pretok magnetnega polja se tako poveča za do 3% (magnetni momenti v snovi so bolj usmerjeni v smeri zunanjega polja pri orientiranem jeklu, pri neorientiranem pa so porazdeljeni izotropno v vse smeri). 1
Neorientirano jeklo ima vsebnost silicija 3-4.5% in ima enake magnetne lastnosti v vse smeri (izotropen). Je cenejši in se uporablja v napravah, kjer energetska učinkovitost ni zelo pomembna ali ko ne moremo doseči, da bi magnetno polje bilo v smeri orientacije, da bi lahko koristili lastnosti anizotropnega jekla. Neorientirano jeklo je vgrajeno v večini starejših motorjev. Tretja skupina izgub predstavljajo trenja v ležajih motorja (odvisna od kvalitete ležaja) in cirkulacije zraka, ki ga povzroča ventilator in ostali gibajoči deli motorja. Te izgube so odvisne od zračne reže med statorjem in rotorjem, ki mora biti čim manjša, od oblike reže, ter od obremenitve motorja, saj je v reži močno magnetno polje. Za te izgube velja, da ne prispevajo veliko k izkoristku motorja, so pa skoraj neodvisne od tokov ali napetosti. Večina teh izgub je povezana z hlajenjem motorja, zato lahko te izgube neposredno zmanjšamo, s tem ko zmanjšamo izgube v vodnikih in železu, zato ni potrebno uvajati posebnih ukrepov, le zmanjšamo premer ventilatorja. Poleg tega pa zmanjšamo tudi hrup, ki ga povzroča ventilator. Zadnja skupina izgub pa predstavljajo t.i. dodatne izgube, ki jih lahko določimo le z meritvami. Te pokažejo, da so približno kvadratno odvisne od toka. Med tovrstne izgube pa štejemo tiste, ki so posledica oblike navitja statorja, razmerje med dolžino rotorja in širino zračne reže, od varjenja posameznih delov motorja med sabo, velikostjo zračnih rež Z ustreznim oblikovanjem motorja, se da posamezne izgube zmanjšati, vendar jih je najtežje odpraviti, ker so odvisne od veliko parametrov. Na spodnji sliki 3..3 so prikazani izkoristki v odvisnosti od moči za navadne in energijsko varčne motorje. Izkoristek se lahko izboljša za od - 1 %. Slika 3..3: Izkoristek navadnih in energijsko varčnih motorjev za različne moči K izgubi pa prispevajo tudi slaba kvaliteta dovedene električne energije. To se lahko kaže v neenakomerni obremenitvi vseh treh faz (na eni fazi je priključenih več porabnikov), ter v 11
prisotnosti višjih harmonskih komponent v električni napetosti, ki kvarijo sinusno obliko napetosti. Sinusno obliko vala pokvarijo predvsem elektronske naprave, ki vsebujejo polprevodnike, saj ti ne»porabijo«celotnega vala napetosti. Motnja, ki tako nastane, pa se naprej širi po vodnikih. Zaradi teh motenj se motorji (tudi ostale naprave) segrevajo, povzročajo hrup, nasploh pa se poslabša faktor moči motorjem. Te motnje pa lahko povzročijo tudi okvare na nekaterih elektronskih delih. 3.3. Faktor moči Faktor moči, definiran kot: Re( Z) Re( Z) cosϕ = =, (3.3.1) Z Re( Z) + Im( Z) ravno tako predstavlja izgube pri delovanju vseh električnih naprav, ki imajo induktivni ali kapacitivni značaj, ne le elektromotorjev. Majhen faktor moči povzroči: dodatno obremenjevanje električnega sistema povzroča fluktuacije v električni napetosti povečuje toplotne izgube v vodnikih, ki so kvadratno odvisne od toka. Za povečanje faktorja moči moramo zmanjšati induktanco in kapacitanco. Ker so največji porabniki električne energije elektromotorji, ti pa so induktivni porabniki, moramo namestiti dodatne kondenzatorje, da zmanjšamo imaginarni del impedance. Te lahko namestimo zaporedno ali pa vzporedno na induktivni porabnik, vendar se pogosteje uporablja vzporedna vezava, ker je potreben manjši kondenzator. Pri zaporedni vezavi kondenzatorja na elektromotor določimo impedanco kot (upoštevati moramo, da računamo vedno za eno fazo, saj moramo na vsako fazo posebej priključiti kondenzator): Z = R + iω L i / ωc, (3.3.) ter od tod izpeljemo, da mora imeti dodatni kondenzator naslednjo kapaciteto, da zmanjšamo imaginarni del impedance: 1 =, (3.3.3) ω L C Z kjer je L induktivnost tuljav v elektromotorju. Pri vzporedni vezavi kondenzatorja na elektromotor pa je impedanca naslednja: 1
1 Z = 1 iωc R + iω L + (3.3.4) ter od tod kapaciteta dodatnega kondenzatorja: C V = L R + ω L (3.3.5) Vsi statorji elektromotorjev so narejeni iz lameliranega železa 7. Vsaka posamezna lamela je električno prevodna, hkrati pa izolirana od ostalih z neprevodnim lakom, zato lahko lamele uporabimo za kondenzator, ki uravnava faktor moči. Slika 3.3.1 Stator sestavljen iz lamel Slika 3.3.: Način priključitev lamel v kondenzator za zvezda (levo) in trikot (desno) Kondenzator lahko sestavimo iz lamel na dva načina; z vezavo v trikot ali zvezda. Če uporabimo priključitev zvezda, na vsako drugo lamelo priključimo ozemljitev, na ostale pa tri faze, tako da se ena faza ponovi na vsaki šesti lameli. Pri taki priključitvi je na vseh lamelah enaka fazna napetost. Pri priključitvi trikot pa ne potrebujemo ozemljitve, ampak izmenično priključimo tri faze, tako da se ena od faz ponovi na vsaki tretji lameli. Pri taki priključitvi pa je med lamelami medfazna napetost, ki pa je zopet enaka med vsemi lamelami. Z stikalom in ustrezno obliko lamel lahko priključitvene načine spreminjamo. Celotna kapaciteta takega kondenzatorja na eni fazi je (pri tem upoštevamo, da so taki kondenzatorji med sabo povezani vzporedno, saj je na vseh enaka napetost): ( N 1) S = εε, (3.3.6) 3 d C kjer je N število lamel, ki smo jih uporabili za kondenzator (ni nujno, da uporabimo vse lamele), terε dielektričnost laka, S presek jedra celotnega statorja in d debelina laka, ki je na posamezni lameli. Faktor 3 1 je prisoten, ker je celotna kapaciteta razdeljena med tri faze. Za izboljšanje faktorja moči lahko uporabimo tudi zunanji kondenzator, ki je nameščen blizu motorja, ali pa kar pred skupino porabnikov (tovarna) in s tem poskrbimo, da celotna tovarna deluje z ustreznim faktorjem moči. Iz slike 3.1.1 vidimo, da se faktor moči spreminja tudi če je različna obremenitev motorja, zato je potrebno kapaciteto kondenzatorja prilagajati (kondenzatorji s spremenljivo 13
kapaciteto) obremenitvi motorja, da dosegamo velike faktorje moči v vsakem trenutku. To lahko dosežemo da spreminjemo število priključenim kondenzatorjem (groba nastavitev) ali z vrtljivim kondenzatorjem, kjer spreminajo ploščino plošč Na spodnji tabeli 3.3.1 pa so podani koeficienti C / P( nf / W ) za določitev potrebne kapacitete kondenzatorja za izboljšanje faktorja moči za prehode med različnimi vrednostmi faktorjev moči. Koeficienti so določeni kot povprečje, tako da ustrezajo večini tipov motorjev. Seveda je za natančno določitev ustreznega kondenzatorja za izbran motor potrebna natančnejša analiza. Tabela 3.3.1: V tabeli so podane povprečne vrednosti (za različne izvedbe motorjev) kapacitete kondenzatorja na enoto moči C / P( nf / W ) za različne prehode med starimi in novimi faktorji moči. Podatki veljajo za motorje, ki delujejo pri napetosti 38V in frekvenci 5Hz 8 Primer: če imamo elektromotor moči 4 kw, ki deluje s faktorjem moči.8, mu moramo na vsako fazo dodati kondenzator s kapaciteto 66 µf ( C / P(.8 1.) = 16.5nF / W ), da bo novi faktor moči 1.. 4. Bremena elektromotorjev Izkoristek motorjev pa se da izboljšati tudi drugače, ne le z izdelavo motorjev. Velik potencial pri doseganju visokih izkoristkov predstavljajo sistemi za krmiljenje motorja (frekvenčni regulatorji hitrosti vrtenja), izgube na prenosnih sistemih mehanske moči (zobniki) in izgube na bremenih. Te se kažejo v energijsko potrošnimi bremeni ali pa v neprimerni moči motorja za izbrano breme (predimenzionirani sistemi, slika 3.1.1). Zaradi globalnega segrevanja in drugih razlogov je bilo vloženih veliko naporov za zmanjšanje porabe energije na različnih napravah, največ pa na črpalkah, ventilatorjih in kompresorjih, saj imajo ugodno karakteristiko za doseganje optimalnega delovanje. Njihovo veliko število predstavlja velik potencial za prihranke. Delež motorjev, ki poganjajo ventilatorje predstavlja 16%, pri črpalkah je teh 3%, pri kompresorjih pa 1%. Ostali motorji, teh je 4%, poganjajo druge naprave, kot so mlini, transportni trakovi, električna orodja, žage, vendar so posamezne skupine majhne. Pogosto se zgodi, da ventilatorji dovajajo preveč zraka, kot se ga potrebuje za nek tehnološki proces, zato je v tem primeru smiselno uporabiti krmilnike motorjev, ki bi 14
uravnavali dovajanje zraka. Spodnja enačba 4.1 ( S presek ventilatorja, ρ gostota zraka, Φ pretok zraka in v hitrost curka zraka) nam pove, V P = t 1 m v = 1 V t 1 ρ Φ 3 3 V ρ v = S ρ v = (4.1) S da je relativna sprememba moči trikrat večja kot relativna sprememba pretoka, kar pomeni velik potencial za prihranke ob uporabi ustreznega krmiljenja. Z razvojem polprevodnikov se je njihova uporaba razširila tudi na področje frekvenčne regulacije hitrosti vrtenja motorjev. Takšna regulacija nam omogoča zvezno spreminjanje hitrosti vrtenja. V splošnem elektronski regulatorji hitrosti spreminjajo po amplitudi in frekvenci konstanto napetost napetostnega vira v spremenljivo. S tem se spremeni tudi frekvenca vrtenja magnetnega polja. Elektronika ponavadi napetost omrežja pretvori v spremenljivo enosmerno, nato pa jo pretvori v spremenljivo izmenično napetost spremenljive frekvence. Za delovanje regulatorja hitrosti je potrebno v kontrolni tokokrog pripeljati povratno informacijo o merjenem parametru. Parameter je lahko katerakoli fizikalna količina (tlak, temperatura, hitrost, pretok, moč ali kombinacija večih), za katero lahko zagotovimo senzor, ki bo zaznal spremembe. Izgube take spremembe frekvence so do 1%. Slika 4.: Poraba energije odvisna od volumna zraka potrebnega za tehnološki proces za različne načine regulacije Na sliki 4. je prikazana primer poraba energije za sistem dovajanje zraka v odvisnosti od volumna porabljenega zraka za nek 8 urni tehnološki proces pri navadnem motorju in motorju z vgrajenim frekvenčnim regulatorjem. Prihranki so občutno večji. Z uporabo rekuperatorja (komora, v kateri se izenačuje temperatura vstopnega in izotopnega zraka ventilatorja, zraka pa se med sabo ne mešata) pa so prihranki še večji. Upoštevati pa moramo še, da ima motor pri zmanjšani obremenitvi tudi slabši izkoristek. Pri takih pogojih se toplotne izgube motorja zmanjšajo in prevladajo izgube v železu, ki so odvisne od napetosti. Zato moramo skupaj s frekvenčnim regulatorjem hitrosti vrtenja uporabiti še napetostno krmiljenje, da tako povečamo izkoristek motorja. Krmilnik krmili 15
napetost na priključnih sponkah motorja, tako da motor daje moč, ki je ravno dovolj velika, da ustreza zahtevam gnanega bremena. Na ta način zagotovimo zmanjšanje izgub v železu, povišamo po izkoristek in faktor moči. 5. Zaključek V seminarju sem predstavil načine za zmanjšanje izgub pri elektromotornih pogonih. V prvem delu seminarja je bilo predstavljeno delovanje asinhronskega elektromotorja, ki je najštevilneje uporabljen elektromotor. Predstavil sem vrtilno magnetno polje, ki izkorišča lastnosti trifaznega toka. V drugem delu seminarja pa sem predstavil, izgube elektromotorja ter velik potencial za prihranke pri uporabi ventilatorjev in črpalk, ki imajo ugodno karakteristiko. V tem delu sem predstavil tudi energetsko varčne motorje ter v zadnjem času bolj in bolj uporabljene frekvenčne regulatorje, ki se uporabljajo na številnih aplikacijah. Podobne ukrepe za zmanjšanje porabe lahko uvedemo na enosmernih in enofaznih elektromotrjih (sinhronskih in asinhronskih). Izdelavo energetsko varčnih motorjev lahko dosežemo predvsem z uporabo boljših materialov, to so taki, ki imajo majhno koercitivno polje in specifično upornost, hkrati pa velike permeabilnosti in dielektričnosti. 6. Literatura 1 Janez Strnad, Fizika, del, Elektrika-optika, 1978 Tomaž Fatur, Hinko Šolinc, Varčno z energijo pri elektromotornih pogonih, vodnik 1998 3 Alojz Hussu, Elektrotehnika, 3 4 Zdravko Žalar, Osnove elektrotehnike II, 5 Igor Tičar, Tine Zorič Osnove elektrotehnike, 1 6 Ali Emadi, Energy-Efficient electric motors, 5 7 Paolo Bertoldi, Anibal de Almeida, Energy Efficiency improvements in electric motors and drives, 8 www.squared.com 16