Aktuální vydání

celé číslo

03

2021

Digitální transformace, chytrá výroba, digitální dvojčata

Komunikační sítě, IIoT, kybernetická bezpečnost

celé číslo

Optimalizace účinnosti elektromotorů v rámci směrnice ErP

Energetická účinnost je zprofanovaný reklamní slogan v politice, obchodu i průmyslu. Nařízení EU týkající se elektromotorů, které na začátku roku 2015 vstoupilo do druhé fáze, nutí výrobce strojů a zařízení změnit způsob myšlení. Třebaže se v této oblasti doposud vše točilo kolem elektromotorů, je celkový dopad rozsáhlejší a i v technice spínacích prvků bude třeba zohlednit několik aspektů.

 
Politické a obchodní svazy a sdružení se důrazně snaží snížit energetickou náročnost výroby a omezit emise CO2 v průmyslovém sektoru. Na elektrické pohony připadají přibližně dvě třetiny spotřeby energie v průmyslové výrobě. Německé ministerstvo životního prostředí odhaduje, že díky účinnějším pohonům by jen v Německu bylo možné snížit do roku 2020 spotřebu energie o asi 27 mld. kW·h, čemuž odpovídá snížení emisí CO2 o 16 mil. tun. To vedlo EU k podpoře iniciativ zaměřených na environmentálně šetrné konstrukce pohonů, včetně směrnice pro výrobky spojené se spotřebou energie (ErP).
 
Směrnice upřesňuje kritéria, která musí příslušné výrobky splňovat, aby je bylo možné v Evropě uvést do provozu. Požadavky týkající se jednotlivých segmentů výrobků jsou specifikovány v implementačních nařízeních. Rozhodujícím dokumentem pro elektromotory je nařízení Evropské komise 640/2009, které stanovuje minimální třídy účinnosti (International Efficiency neboli třídy IE) u nízkonapěťových třífázových indukčních motorů v širokém spektru jmenovitého výkonu. Motorům spadajícím do této třídy odpovídá téměř 90 % energie spotřebované elektromotory v členských státech EU v roce 2005.
 

IE3 vyvolává otázky

První etapa směrnice ErP vstoupila v platnost v polovině roku 2011. Od té doby musí všechny motory nově uváděné na trh splňovat kritéria pro účinnost alespoň třídy IE2. Počínaje loňským rokem musí výrobci strojů a zařízení, kteří instalují nebo zabudovávají nové motory se jmenovitým výkonem 7,5 až 375 kW, používat motory s účinností vyhovující alespoň třídě IE3. Motory IE2 lze používat jako alternativu, ale pouze v kombinaci s elektronickou regulací otáček motoru. Od 1. ledna 2017 se toto ustanovení bude vztahovat také na motory se jmenovitým výkonem 0,75 kW a vyšším.
 
Důsledkem této právní úpravy v oblasti průmyslu je výrazný nárůst povědomí o energetické účinnosti. Výrobci elektrických motorů již delší dobu aktivně pracují na zvýšení účinnosti svých výrobků. Pro výrobce strojů to znamená, že nyní musí modernizovat své standardní stroje, které nejsou osazeny motory IE3 nebo vybaveny regulací otáček motoru. Energetická účinnost je ale poměrně složitá oblast a nelze jí dosáhnout pouhou výměnou motorů IE2 za motory IE3. Vyvolává to otázky typu: Jak konstrukční změny v motorech IE3 ovlivní konstrukci systémů ochrany motoru? Jaký bude mít směrnice ErP vliv na sestavy čerpadel a ventilátorů? Jaké mají výrobci strojů a zařízení možnosti při optimalizaci účinnosti svých výrobků? Společnost Eaton se těmito otázkami do hloubky zabývá.
 

Testování spínacích prvků z hlediska kompatibility s požadavky IE3

Výrobci museli pro zvýšení účinnosti elektromotorů změnit jejich konstrukci. Tyto změny zahrnují větší průřezy vodičů a silnější tyče či zkratové kroužky statoru, které snižují magnetický odpor. Optimalizovaná geometrie laminování snižuje magnetické ztráty vířivými proudy. Hysterezní magnetické ztráty jsou tlumeny vysoce kvalitními materiály (obr. 1).
 
Snížení magnetického odporu motoru má za následek nárůst rozběhového proudu, což má vliv na ochranná zařízení a spínací prvky. Mezi možné vedlejší účinky patří nežádoucí vypnutí způsobené velkým rozběhovým proudem. Může vypnout jistič nebo odskočit kontakt, což může vést ke spálení kontaktu a zkrácení životnosti jističe či v nejhorším případě ke svaření kontaktu. Tento typ poruchy kontaktu může být nebezpečný, způsobuje výpadek stroje a vyžaduje dodatečnou údržbu.
 
Proto nejsou hodnoty uvedené v nyní platné normě pro spouštěče motorů (ČSN EN 60947-4-1 Spínací a řídicí přístroje nn – Část 4-1: Stykače a spouštěče motorů – Elektromechanické stykače a spouštěče motorů) při zavedení motorů IE3 v praxi použitelné. V současnosti probíhají práce na aktualizaci normy. Společnost Eaton jako jeden z předních světových odborníků na spolehlivé spínání, ochranu a řízení motorů podrobně studovala chování ochran motorů při testech v praxi.
 
Tyto testy zahrnovaly mimo jiné kontrolu kompatibility stykačů pro přímé spouštění motorů ve veřejných i soukromých sítích a spouštění hvězda-trojúhelník, ať už samostatně, nebo v kombinaci se softstartéry nebo měniči frekvence, s motory IE3 od různých známých výrobců. Společnost Eaton testovala také vypínací charakteristiky elektromagnetických a elektronických spouštěčů motorů. Výsledkem je takové vylepšení výrobků řady DIL, PKZ a PKE, že nyní splňují požadavky IE3 a jsou příslušně označeny. Je-li produktová řada kompatibilní s motory IE2 i IE3, šetří uživatelům úsilí spojené s konfigurací a dodatečné náklady na skladové zásoby.
 

Maximální účinnost pro sestavy čerpadel a ventilátorů

Směrnice ErP má širší dopad, než jsou pouhé konstrukční úpravy mající vliv na volbu výrobku. Je také nutné analyzovat celkové procesy a systémy, aby bylo možné dosáhnout požadované minimální účinnosti. Příkladem jsou předpisy pro čerpadla a ventilátory: u běžných zařízení s mechanickým řízením průtoku, jako jsou ventily nebo klapky, je zpravidla obtížné vyhovět požadavkům na účinnost.
 
V některých případech jsou pro snížení ztrát nezbytné měniče frekvence. V jednodušších sestavách čerpadel a ventilátorů je však měnič zbytečná komplikace. Měniče frekvence jsou složitá zařízení a zpravidla vyžadují velké znalosti o konstrukci pohonů. Až dosud však byly pro konstruktéry jedinou dostupnou alternativou ke spouštěčům motorů, jejichž výhodou je velmi snadné použití, ale mají omezené funkční možnosti. V mechanismech se stálou rychlostí nebo krátkými výrobními cykly jsou spouštěče motorů i nadále energeticky nejúčinnějším řešením.
 
Je-li však cílem zvýšit energetickou účinnost stávajících zařízení, která pracují při stálé rychlosti a ne zcela plném zatížení, nabízí se nyní třetí možnost, kterou jsou tzv. frekvenční startéry, tj. startéry s proměnnou rychlostí (VSS – Variable Speed Starter).
 
Tato zařízení vyráběná pod značkou Power-XL DE1 se vyznačují stejnou jednoduchostí použití a spolehlivostí jako běžné spouštěče motorů, navíc však umožňují regulovat otáčky motoru.
 

PowerXL DE1 – nová, jednoduchá a spolehlivá zařízení pro rozběh motorů

Spouštěče s proměnnou rychlostí PowerXL DE1 (obr. 2) nemají žádná tlačítka ani ovládací prvky, lze je vyjmout z krabice a ihned uvést do provozu. Uživateli stačí zařízení vybalit, zapojit stejně jako klasický spouštěč motoru a je připraveno k provozu – bez nutnosti cokoliv nastavovat. Konstrukce zařízení zajišťuje maximální dostupnost: vnitřní kontrolní algoritmus zabraňuje výpadkům při přepětí, který může nastat při rekuperaci energie. Obsahuje též funkci stejnosměrného brzdění a automatického snížení spínací frekvence, aby nedošlo k přehřátí motoru.
 
Díky svému jedinečnému výkonnostnímu profilu a rozpětí standardní provozní teploty okolí –10 až +60 °C splňuje PowerXL DE1 požadavky jednoduchých sestav čerpadel a ventilátorů i dalších běžných mechanismů, u nichž dosud nebylo dostupné ideální řešení. To se týká sestav, u nichž přímé spouštění, spouštění hvězda-trojúhelník nebo rozběh se softstartérem nejsou možné, neboť sestavu nelze spouštět s omezeným točivým momentem a přímé spouštění by znamenalo velký rozběhový proud. PowerXL DE1 je také vhodný pro rostoucí počet pohonů se stálou rychlostí, které vyžadují jinou frekvenci, než
je frekvence rozvodné sítě střídavého napětí.
 
Tovární nastavení startéru PowerXL DE1 lze též přizpůsobit podle požadavků jednotlivých zařízení. Univerzální zásuvný konfigurační modul uživatelům umožňuje individuálně upravit výchozí hodnoty rozhodujících parametrů pomocí šroubováku bez nutnosti použít displej s klávesnicí a konfigurační software nebo studovat manuál. Při praktickém srovnání s konvenčním řešením PowerXL DE1 zkracuje dobu potřebnou na konfiguraci až o 70 %.
 
Díky spínacím prvkům a rozběhovým jednotkám kompatibilním s IE3 společnost Eaton pomáhá výrobcům strojů a zařízení implementovat jednodušší, menší a nákladově úspornější pohony, které jsou spolehlivější, bezpečnější a energeticky účinnější, takže mohou splnit požadavek na zvýšení energetické účinnosti.
 
Podrobnější údaje a odborné studie k těmto tématům jsou dostupné na stránkách www.eaton.eu/IE3 a www.eaton.eu/de1.
 
Guido Kerzmann,
Product Line Manager
Drives & Softstarters, Eaton, Bonn
 
 
Obr. 1. Vysoce účinné motory mají větší rozběhové proudy v důsledku upravených konstrukčních charakteristik
Obr. 2. Jednotky PowerXL DE1 jsou ideální tam, kde je třeba proměnlivá rychlost a pouze omezený rozsah funkcí
 

Tab. 1. Přehled vlastností pro různé způsoby spouštění motoru

  Startér DOL Hvězda-trojúhelník Softstartér Startér s proměnnou frekvencí Měnič frekvence
Moment plný omezený při rozběhu omezený při rozběhu plný plný
Chování momentu škubnutí při rozběhu škubnutí při přepnutí plynulý rozběh plynulý rozběh plynulý rozběh
Rozběhový proud značně větší než
jmenovitý
omezený, ale větší než jmenovitý omezený, ale větší než jmenovitý jmenovitý proud jmenovitý proud
Napětí jmenovité dva stupně proměnné proměnné proměnné proměnné
Frekvence konstantní konstantní konstantní proměnná proměnná