Wysoka przewodność elektryczna miedzi jest istotnym czynnikiem projektowym, który umożliwia zwiększenie sprawności energetycznej silników elektrycznych. Jej znaczenie wynika stąd, że silniki elektryczne i napędzane nimi układy są znaczącymi odbiornikami energii elektrycznej pobierającymi 43%-46% całkowitego globalnego zużycia energii i 69% całkowitej energii elektrycznej zużywanej przez przemysłEnergy-efficiency policy opportunities for electric motor-driven systems, International Energy Agency, 2011 Working Paper in the Energy Efficiency Series, by Paul Waide and Conrad U. Brunner, OECD/IEA 2011.
Silniki elektryczne o niskiej sprawności powodują straty energii elektrycznej. Ponieważ większość energii elektrycznej jest przetwarzana w elektrowniach zasilanych paliwami kopalnymi, silniki elektryczne i napędzane nimi układy mają pośredni udział w emisji gazów cieplarnianych emitowanych przez te elektrownie. Istnieją zatem istotne ekonomiczne i środowiskowe powody przemawiające za upowszechnieniem stosowania silników energooszczędnych.
Niniejszy artykuł omawia, w jaki sposób miedź wpływa na poprawę sprawności energetycznej silników. Omówiono także zalety miedzi jako materiału przewodzącego stosowanego w stojanie, a ostatnio w wirniku dzięki nowej technologii ciśnieniowego odlewania wirników z miedzi, opracowanej specjalnie dla silników o bardzo wysokiej sprawności, tzw. klasy premium. Artykuł przybliża również dziedzinę wprowadzanych na całym świecie uregulowań prawnych dotyczących oszczędnościach energii i redukcji śladu węglowego, jakie można uzyskać przez stosowanie silników energooszczędnych. Artykuł koncentruje się na silnikach indukcyjnych prądu przemiennego, ponieważ należą one do najczęściej stosowanych w napędach maszyn i urządzeń przemysłowych.
Silniki elektryczne przekształcają energię elektryczną w energię mechaniczną Silnik elektryczny jest urządzeniem elektromechanicznym, które wykorzystuje zjawisko magnetycznego przyciągania i odpychania w celu wytworzenia kontrolowanego ruchu obrotowego. W silniku elektrycznym energia elektryczna dostarczona ze źródła zasilania jest przekształcana na energię mechaniczną. Efekt ten uzyskuje się w ten sposób, ze zestaw elektromagnesów zamocowanych na nieruchomej części silnika (stojanie) przyciąga elektromagnesy o przeciwnej biegunowości znajdujące się na zespole wirującym, czyli wirniku. Pod wpływem prądu elektrycznego przepływającego przez uzwojenie stojana pole magnetyczne wytwarzane przez stojan wiruje w przestrzeni, powodując, że wirnik obraca się wraz z nim i w konsekwencji napędza sprzęgnięte z mim obciążenie mechaniczne.
Dzięki zdolności przetwarzania energii elektrycznej w mechaniczną silniki elektryczne mogą napędzać szeroki zakres maszyn przemysłowych, jak i produkty wykorzystywane przez zwykłych użytkowników
Sprawność silnika elektrycznego Silniki elektryczne i napędzane nimi układy są urządzeniami pobierającymi ogromne ilości energii elektrycznej. Zużycie to oceniane jest na 43%-46% całkowitego globalnego zużycia energii i 69% całkowitej energii elektrycznej zużywanej przez przemysł.
Ponieważ większość energii elektrycznej jest wytwarzana w elektrowniach zasilanych paliwami kopalnymi, silniki elektryczne i napędzane nimi układy mają pośrednio znaczny udział w emisji gazów cieplarnianych z tych elektrowni.
Silniki elektryczne nie przetwarzają 100% wejściowej energii elektrycznej na energię kinetyczną. Pewna część energii elektrycznej jest tracona w procesie przemiany na energię mechaniczną. Straty te, które przejawiają się w postaci strat elektrycznych (ciepło tracone na rezystancji uzwojeń, przewodzących prętów i pierścieni zwierających wirnika), strat w rdzeniu magnetycznym, dodatkowych strat obciążeniowych, strat mechanicznych i strat na szczotkach, zmniejszają wielkość określaną jako "sprawność energetyczna silnika". Straty elektryczne stanowią więcej niż połowę całkowitych strat w silnikuHigh efficiency motors and transformers CD-ROM # A6121; http://www.copper.org/publications/pub_list/energy_efficiency.html.
Problem ten ma szereg aspektów. Po pierwsze, silniki o małej sprawności bezproduktywnie tracą część energii elektrycznej, zwiększając tym samym zapotrzebowanie na energię elektryczną i związane się z tym koszty energii potrzebnej do zasilania silników. Po drugie, gdy energia elektryczna jest wytwarzana w elektrowniach opalanych produktami ropopochodnymi lub węglem, rezultatem spalania paliw kopalnych jest ślad węglowy i emisja gazów cieplarnianych. Straty powodowane przez silniki o niskiej sprawności są, zatem przyczyną marnotrawienia cennych zasobów naturalnych, zwiększenia emisji gazów cieplarnianych i wyższych kosztów eksploatacji (tzn. wyższych rachunków za energię elektryczną). Po trzecie, ciepło tracone w silnikach elektrycznych o niskiej sprawności zwiększa koszt konserwacji i remontów i skraca czas życia silnika.
Z powyższych powodów niezbędna jest ocena, pod względem ekonomicznym i środowiskowym, korzyści wynikających ze stosowania silników wysokosprawnych i o bardzo wysokiej sprawności (premium) w stosunku do ich standardowych odpowiedników.
Zwiększanie sprawności silników elektrycznych Do czasu kryzysu energetycznego w latach 70. większość silników ogólnego zastosowania było projektowanych z myślą o uzyskaniu znamionowych parametrów wyjściowych i charakterystyk pracy przy rozsądnym koszcie. Sprawność działania miała, w najlepszym przypadku, drugorzędne znaczenie. W miarę wzrostu cen energii producenci zaczęli opracowywać udoskonalone silniki elektryczne, określane jako "wysokosprawne" i "energooszczędne"Introduction to Premium Efficiency Motors; https://web.archive.org/web/20121018083348/http://www.copper.org/applications/electrical/energy/motor_text.html.
Dobrze zaprojektowany silnik może przetwarzać ponad 90% energii wejściowej na moc użyteczną przez dziesiątki latMotors; https://web.archive.org/web/20121023182642/http://aceee.org/topics/motors. Jeżeli zatem uda się zwiększyć sprawność silnika o nawet kilka punktów procentowych to oszczędności wyrażone w kilowatogodzinach, a co za tym idzie, koszty, będą ogromne. Oszacowano przykładowo, że gdyby wszystkie kraje przyjęły najlepsze standardy dotyczące sprawności energetycznej silników elektrycznych (MEPS), to do roku 2030 można by osiągnąć oszczędność energii elektrycznej 322 terawatogodzin rocznie. Takiemu zmniejszeniu zapotrzebowania na energię elektryczną odpowiada dodatkowa korzyść dla środowiska w postaci redukcji emisji CO2 o 206 milionów ton.
Całkowitą sprawność energetyczną typowego silnika przemysłowego można zwiększyć przez: 1) obniżenie strat elektrycznych w uzwojeniach stojana (np. przez zwiększenie powierzchni przekroju przewodu, poprawę techniki nawijania i stosowanie materiałów o większej przewodności elektrycznej); 2) obniżenie strat elektrycznych w uzwojeniu wirnika lub stosowanie wirników odlewanych ciśnieniowo (np. przez stosowanie materiałów o większej przewodności elektrycznej); 3) obniżenie strat magnetycznych przez stosowanie lepszej jakości materiałów magnetycznych; 4) poprawę aerodynamiki silnika w celu zmniejszenia strat wentylacyjnych 5) ulepszenie łożysk w celu zmniejszenia strat mechanicznych tarcia; oraz 6) zminimalizowanie tolerancji wykonaniaThe emerging electrical markets for copper, Bloomsbury Minerals Economics LTD, 6 lipca 2010.
W porównaniu z silnikami standardowymi silniki o wysokiej sprawności przynoszą, oprócz oszczędności energii, jeszcze szereg innych korzyści: 1) niższe temperatury pracy ze względu na mniejszą ilość wydzielanego ciepła, a co za tym idzie mniejsza częstotliwość konserwacji i dłuższy czas eksploatacji; 2) lepsza tolerancja na zmiany napięcia i harmoniczne; 3) dłuższe czasy gwarancji producentów; oraz 4) rabaty i zachęty podatkowe stosowane w niektórych regionach przez zakłady energetyczne i władze samorządowe miast.
Narzędzia oceny sprawności i kosztów cyklu życia silnika W ramach swojej inicjatywy zwiększenia sprawności silników elektrycznych Departament Energii Stanów Zjednoczonych stworzył darmowe, dostępne online narzędzie programowe wspomagające agentów dokonujących zakupu w podejmowaniu świadomych i przemyślanych decyzji kupna z uwzględnieniem całego cyklu życia omawianych silników. Oprogramowanie to pod nazwą MotorMaster+MotorMaster+ International; http://www1.eere.energy.gov/manufacturing/tech_deployment/software_motormaster_intl.html zawiera dane 25000 różnego rodzaju silników. Pomaga ono nabywcy wybrać silnik na podstawie ceny katalogowej, sprawności silnika, analizy okresu zwrotu nakładów i zwrotu z inwestycji. Umożliwia również organizacjom badanie swoich zasobów silników, lub dowolnego silnika oddzielnie, w ramach całościowego planu remontów i wymiany.
Po wybraniu dowolnych dwóch silników i wprowadzeniu jednostkowego kosztu energii oraz profilu eksploatacji, program przeprowadza analizę kosztów cyklu życia oraz oblicza redukcję emisji gazów cieplarnianych dla silników w klasie sprawności premium w porównaniu do standardowych silników. Można również dokonać oceny starszych eksploatowanych silników o niskiej sprawności pod względem celowości ich wymiany. Silników tych nie można przezwajać w celu uzyskania sprawności większej niż projektowa.
Innym darmowym narzędziem jest program MotorSlide Calculator™, który pozwala obliczyć przybliżone roczne oszczędności dla wybranego silnika w klasie sprawności premium NEMANEMA Premium Motors; url= https://web.archive.org/web/20090221083647/http://nema.org/gov/energy/efficiency/premium/ (Narodowe Stowarzyszenie Producentów Aparatury Elektrycznej) lub o dowolnym poziomie sprawności, w odniesieniu do modelu from Productive Energy Solutions, LLC o niższej sprawności.
Silniki indukcyjne prądu przemiennego W zależności od wymagań użytkowników, konstrukcji i kosztów produkcji, rozwinęły się różne rodzaje silników elektrycznych: silniki prądu przemiennego, w tym silniki indukcyjne, silniki prądu stałego i silniki uniwersalne. W tych kategoriach można wyróżnić wiele typów silników (dobrym wprowadzeniem w tę tematykę jest Klasyfikacja silników elektrycznych).
Niniejszy rozdział dotyczy zastosowań miedzi w energooszczędnych silnikach indukcyjnych, ponieważ te właśnie silniki znajdują szerokie zastosowanie w napędach przemysłowych.
Głównymi częściami silnika indukcyjnego są: nieruchomy korpus (stojan), część wirująca (wirnik) i elektromagnesy składające się z miedzianych cewek (uzwojeń) nawiniętych na rdzeniu ze stali, najczęściej z blach.
Uzwojenia stojana mogą być wykonane zarówno z miedzi, jak i z aluminium, jednak standardowym rozwiązaniem są uzwojenia z miedzi, ponieważ są bardziej giętkie i, dzięki większej przewodności elektrycznej miedzi, polepszają sprawność silnika. W standardowych silnikach indukcyjnych uzwojenie wirnika nie jest nawijane w postaci cewki, lecz jest odlewane ciśnieniowo w postaci klatki z prętów umieszczonych w stalowym rdzeniu złożonym z blach.
Standardowym materiałem w wirnikach odlewanych ciśnieniowo jest aluminium, ale nowa technologia odlewania wirników z miedzi jest coraz częściej stosowana w celu poprawy sprawności silnika. Silniki indukcyjne mogą być także wykonywane jako silniki pierścieniowe z uzwojeniem nawiniętym na wirniku zamiast klatki. W silniku pierścieniowym uzwojenie wirnika jest wykonane w postaci cewek nawiniętych drutem izolowanymWound rotor induction motors; url=http://www.allaboutcircuits.com/vol_2/chpt_13/8.htmlWound rotor induction motor; url=https://web.archive.org/web/20110824082448/http://www.ee.lamar.edu/Gleb/power/Labs/Lab%2013%20-%20Wound%20rotor%20induction%20motor.pdf.
Inne korzyści z zastosowania miedzi zamiast aluminium w silnikach prądu przemiennego to: Niższy współczynnik rozszerzalności cieplnej miedzi, ponadto aluminium ma tendencję do pełzania, w przybliżeniu 33% większą od miedzi.