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 1/9
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 2/9
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 fordulatszámszabályozásra három lehetőségünk kínálkozik, vagy a frekvenciát változtatjuk, vagy a 3/9
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. 4/9
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 5/9
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). 6/9
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. 7/9
Az állandó aszinkronmotornak, elkerülhetők. teljesítménytartományoknál számottevőbb, jelentős motorok mértékben esetében mágneses Ezhogy függ (5. jobb mert alacsony az kép). motoroknak az aszinkronmotor azec aállandó hatásfokok fordulatszámon, motorok 1-10%-kal mágnesek hatásfoka, minőségétől köztijobb eltérés részterheléses miatt amint hatásfokuk, aés lecsökken. forgórész-veszteségek akár a teljesítménytartományától, az üzemben AC, mint Amiakár egy azonban (az a átlagos frekvenciaváltós esetek gyakorlatilag még hárompólusú 80%-a nagyobb ilyen) AC 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. 8/9
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. 9/9