European Copper Institute Poland

Miedź i elektryczność: Wysokosprawne silniki elektryczne

 

Silniki elektryczne są niezbędne w przemyśle. Ich udział w zużyciu energii elektrycznej wynosi dwie trzecie całej energii elektrycznej zużywanej w przemyśle i połowę całkowitego zużycia energii elektrycznej w Wielkiej Brytanii.

W brytyjskim przemyśle:

  • w eksploatacji jest 10 milinów silników elektrycznych
  • 3000 nowych silników jest sprzedawanych każdego dnia
  • oczekiwany średni czas zdatności przemysłowego silnika elektrycznego wynosi 13 lat
  • koszt energii elektrycznej zużytej przez sinik w całym okresie życia może być 200-krotnie wyższy od początkowego kosztu inwestycyjnego silnika.

Systemy napędzane silnikami elektrycznymi zużywają połowę całej energii energii elektrycznej wytwarzanej w Wielkiej Brytanii.

Silniki elektryczne są stosunkowo tanie, ale kosztowne w eksploatacji. Średniej wielkości silnik indukcyjny o mocy 11 kW może kosztować zaledwie 300 GBP, ale koszty jego eksploatacji w ciągu dziesięciu lat mogą wynieść 44 000 GBP. Do 15% tych kosztów może wynikać ze strat energii w silniku.

Użytkowanie silników elektrycznych

Poprawa sprawności silników elektrycznych
Sprawność silnika elektrycznego można zwiększyć na kilka sposobów. Niektóre z nich polegają na subtelnych ulepszeniach w zaprojektowaniu i precyzji wykonania podzespołów silnika. Natomiast duży wpływ ma stosowanie większej ilości miedzi w silnikach. Wysoka przewodność miedzi umożliwia zmniejszenie wymiarów podzespołów i bardziej ścisłe upakowanie. Sprawność silników można także zwiększyć przez zastosowanie wirników ciśnieniowo odlewanych z miedzi – powód jest ten sam: miedź ułatwia przepływ prądu.

Sprawność silników elektrycznych w przekazywaniu energii do obciążenia wynosi typowo 85–95%. Jednak różnica między 85% a 95% jest ogromna. Oszczędność 5% energii pobieranej przez silnik, może obniżyć koszty eksploatacji 11 kW silnika o 2 200 GBP w ciągu dziesięciu lat, oraz zmniejszyć emisję CO2 o około 25 ton.

Oszczędzanie
Często lepiej jest kupić droższy silnik, ale o wyższej sprawności, gdyż zużywa on mniej energii niż tańszy. Sprawdza się to szczególnie wtedy, gdy silnik pracuje 24 godziny na dobę. Jeżeli cykl pracy silnika jest krótszy (np. pracuje on tylko godzinę na dobę, lub w podobnym cyklu), to zastąpienie istniejącego silnika silnikiem wysokosprawnym może nie przynieść tak wysokich oszczędności.

Jak działa silnik elektryczny?

Siła elektrodynamiczna
Silnik elektryczny można, pod względem jego działania, traktować jako:

  • wirujący elektromagnes
  • dwie równolegle siły wytwarzające moment obrotowy.

Wirujący elektromagnes
Kiedy cewka wirnika jest przyłączona do baterii, przepływa przez nią prąd. Staje się wtedy elektromagnesem. Górna część cewki jest biegunem północnym, jest więc przyciągana przez południowy biegun magnesu trwałego po lewej. Zatem silnik zaczyna wirować przeciwnie do ruchu wskazówek zegara.

Gdy wirnik jest położeniu pionowym, ustaje działanie powodujące obrót (elektromagnes wirnika znajduje się w jednej linii z magnesami trwałymi). W tym punkcie następuje odwrócenie kierunku prądu (za pomocą komutatora) i wirnik musi obrócić się 180° aby znowu ustawić się jednej linii z magnesami trwałymi.

Kierunek prądu jest odwracany co 180°, dzięki czemu wirnik wiruje.

Jednak gdy wirnik zbliża się do punktu przełączenia, siła działająca na wirnik jest mała. Zobaczmy dlaczego, podchodząc do tego w inny sposób.

Siły równoległe
Prąd I przepływa wzdłuż boków cewki. Długość każdego boku jest L.

Ponieważ prąd płynie w polu magnetycznym o indukcji magnetycznej B, zatem działa na niego siła F.

Wartość tej siły wynosi:

F = B I L

Prąd i pole magnetyczne są wzajemnie prostopadłe. Siła będzie prostopadła do obydwu tych wielkości.

Możemy posłużyć się regułą Fleminga lewej dłoni, żeby zobaczyć, że siła po prawej stronie jest skierowana w górę, a siła z lewej strony jest skierowana w dół.

Dwie równoległe siły, równe co do wartości i przeciwnie skierowane, nazywamy parą sił. Wytwarzają one moment obrotowy działający na cewkę. Wartość momentu wynosi:

T = F d

gdzie d jest odległością między liniami działania sił.

Maksymalny moment obrotowy
Moment obrotowy można zwiększyć przez:

  • zwiększenie natężenie pola magnetycznego
  • zwiększenie natężenie prądu
  • zwiększenie długości L
  • zwiększenie liczby zwojów w cewce.

Moment obrotowy osiąga także swoją maksymalną wartość, gdy odległość między liniami działania sił jest największa, tj. wtedy gdy cewka znajduje się w położeniu poziomym.

Wpływ położenia cewki
Wraz z obrotem cewki, odległość między liniami działania sił maleje. Zmniejsza się zatem moment pary sił.

Gdy cewka obróci się o 90⁰, moment pary sił jest równy zeru ponieważ siły działają wzdłuż tej samej prostej, tzn. odległość między nimi jest zerowa. Jest to jeden z powodów, dlaczego w rzeczywistych silnikach nie stosuje się pojedynczej cewki w wirniku, jak w tym przykładzie.

Pojedyncza cewka napędza wirnik przez 180⁰, zanim nastąpi zamiana styków. Moment obrotowy ulega znacznemu zmniejszeniu już przy odchyleniu płaszczyzny cewki o 30⁰ względem pola magnetycznego. Aby uniknąć wynikającego stąd ubytku momentu obrotowego, w większości silników stosuje się więcej niż jedną cewkę wirnika.

Przykładowo, silnik w elektrycznej zabawce, jak samochód lub pociąg, ma trzy cewki. Każda cewka napędza zatem wirnik nie przez 90⁰, lecz przez 60⁰ (30⁰ po każdej stronie od położenia poziomego). W ten sposób, na cewkę zawsze działa moment obrotowy bliski maksymalnemu.

Energooszczędne silniki elektryczne

Typy silników elektrycznych
Z modelem silnika zaznajomiłeś się już w punkcie “Wirujący elektromagnes”. Prosty silnik prądu stałego działa na tej samej zasadzie, z tą różnicą, że posiada więcej cewek, dzięki czemu jest bardziej efektywny.

(Wikimedia Commons)

Wirnik małego silnika elektrycznego. Silnik posiada 3 cewki, komutator jest widoczny na bliższym końcu wału.

Prosty silnik prądu stałego.

Straty w tym silniku są jednak znaczne, ze względu na:

  • tarcie między komutatorem i szczotkami
  • spadek momentu obrotowego przy pewnych kątach położenia wirnika.

Także, w przypadku utknięcia (np. przy przeciążeniu), cewki wirnika mogą ulec przegrzaniu i stopić się. Dlatego w większości urządzeń przemysłowych i w większych urządzeniach gospodarstwa domowego, stosuje się silniki indukcyjne. Używane są one w pralkach, lodówkach, pompach centralnego ogrzewania itp.

Silnik indukcyjny / Silnik prądu stałego
Poniższa tabela podaje porównanie części prostego silnika prądu stałego i silnika indukcyjnego.

Część Silnik prądu stałego Silnik indukcyjny
Wirnik Wirujące uzwojenia z miedzianego drutu Aluminiowe lub miedziane pręty w żelaznym rdzeniu wirnika; pręty miedziane zapewniają wyższą sprawność
Stojan Magnesy trwałe Źródłem strumienia magnetycznego są uzwojenia z miedzianego drutu
Połączenia Komutator i szczotki przewodzą prąd stały do wirnika Skrzynka zaciskowa zawiera połączenia stojana z trójfazowym zasilaniem prądu przemiennego
Chłodzenie Wentylator chodzenia wirnika

Energooszczędne silniki indukcyjne

Sprawność silnika indukcyjnego można zwiększyć przez:

  • zastosowanie miedzianych uzwojeń stojana
  • zastosowanie miedzianych prętów w wirniku
  • bardzo precyzyjną obróbkę skrawaniem wszystkich części ruchomych
  • użycie specjalnej, wysokojakościowej stali w wirniku i stojanie
  • utrzymanie możliwie najmniejszej szczeliny między wirnikiem i stojanem – tak samo dzięki precyzji wykonania.

Silnik indukcyjny

Sprawność energetyczna i obciążenie
Nawet w najbardziej sprawnych silnikach występują straty energii. Sprawność zmienia się wraz z obciążeniem. Mierzymy ją gdy silnik wykonuje pracę. Może to być podnoszenie ciężaru lub obciążanie silnika systemem hamowania.

Sprawność nieobciążonego silnika jest zero (silnik nie wykonuje użytecznej pracy). Wraz ze wzrostem obciążenia zwiększa się sprawność silnika, ponieważ wykonuje on pewną pracę. W tej sytuacji każde dodatkowe obciążenie powoduje wzrost prądu pobieranego przez silnik. Powoduje to zwiększenie zarówno pracy użytecznej, jak i ciepła Joule’a wydzielanego w silniku. Obydwie te wielkości wzrastają wzajemnie proporcjonalnie, utrzymując sprawność na prawie stałym poziomie.

Jakie są źródła strat
Straty w silniku powstają z wielu powodów:

  • Tarcie – ruchomych części
  • Straty w rdzeniu (w żelazie) – powodowane przez zmienne pola magnetyczne w rdzeniach stojana i wirnika
  • Straty w stojanie – na ciepło Joule’a (I2R) od prądu w uzwojeniach stojana
  • Straty w wirniku – na ciepło Joule’a (I2R) od prądu w wirniku.

Straty te zależą od obciążenia w różny sposób. Straty na tarcie i straty w rdzeniu są stałe – zależą od prędkości silnika, a nie od natężenia pobieranego prądu. Straty na ciepło Joule’a rosną z obciążeniem, ponieważ przy większym obciążeniu silnik pobiera większy prąd, który silniej nagrzewa uzwojenia. Chociaż z obciążeniem straty rosną, to także zwiększa się wykonywana praca użyteczna. W wyniku tego, sprawność silnika po przekroczeniu około 25% maksymalnego obciążenia pozostaje prawie stała.

(Dzięki uprzejmości Future Energy Solutions)

Fotografia w podczerwieni, ukazująca straty energii na ciepło w silniku indukcyjnym.

Część Istniejący silnik Nowy silnik
Koszt Zapłacony 400 GBP
Sprawność 90% 95%
Roczny koszt energii elektrycznej 2 800 GBP 2 600 GBP
Koszt nowego silnika spłaci się po 2 latach
i od tego momentu silnik będzie przynosił oszczędności.

Czy wiedziałeś, że:
70% miedzi jest zużywane w zastosowaniach elektrotechnicznych, które dzięki niej są bardziej efektywne energetycznie. W całym okresie użytkowania, jedna tona miedzi, zastosowana do celów przewodzenia, pozwoli użytkownikom zaoszczędzić od 16 000 GBP do 1,6 mln GBP z tytułu obniżenia zużycia energii.

Animacje ukazujące efekty online (Dzięki uprzejmości PelletierPhysics):

Pytania

1. Rysunek 1 ukazuje zależność sprawności od obciążenia, dla dwóch silników (100% obciążenia oznacza, że silnik pracuje przy maksymalnym obciążeniu dla, którego został zaprojektowany).
Rysunek 1: Porównanie sprawności silnika standardowego i wysokosprawnego.
a) Jaka byłaby sprawność przy zerowym obciążeniu? Wyjaśnij swoją odpowiedź.
b) Przy jakim obciążeniu te silniki pracują najbardziej wydajnie?
c ) Załóżmy, że koszt standardowego silnika wynosi połowę ceny silnika o wyższej sprawności. Użyj wykresu, aby wyjaśnić dlaczego to jest niekoniecznie dobry wybór

2. Siła działająca na przewód z prądem zmienia się wraz z natężeniem prądu, natężeniem pola magnetycznego i długością przewodu. Jak ta siła zmienia się w zależności od:
a) natężenia prądu?
b) natężenia pola magnetycznego?
c) długości przewodu w polu magnetycznym?

3. Moment obrotowy wirnika zmienia się wraz z kątem płaszczyzny cewki wirnika względem pola magnetycznego. Przy jakim kącie moment obrotowy jest:
a) maksymalny?
b) równy zeru?

4. Oblicz siłę działającą drut o długości 5 m, przewodzący prąd 4 A pod kątem 90⁰ względem pola magnetycznego o indukcji 2 ×10-3T.

Korzystając z rysunku 2, odpowiedz, dla których dwóch rodzajów strat wszystkie poniższe stwierdzenia są prawdziwe?Rosną ze wzrostem obciążeniaSą zerowe przy braku obciążeniaSą związane z rezystancją obwodu, w którym przepływa prądSą związane z przepływem prądu