Teknologi for høyeffektive elektriske motorer

Innføringen av 2005/32/EC Ecodesign-direktivet har allerede gått en lang vei mot å redusere karbonavtrykk. Det neste steget som trådte i kraft i januar 2015, fører til at ingeniører går gjennom forskjellige tilgjengelige teknologier for å forbedre effektiviteten ytterligere.

  • Nyhetsbrev

Fra 1. januar 2015 må motorer med en nominell effekt på 7,5 – 375 kW ikke være mindre effektive enn IE3, eller møte IE2-effektivitet og være utstyrt med en trinnløs motor (variable speed drive, VSD).

Induksjon er populært

Motorer spiller en nøkkelrolle i forbedring av energieffektivitet i væskestrøm-anvendelser, inkludert pumper, kompressorer og vifter. Induksjonsmotor forblir den mest populære for slike anvendelser, men permanent magnet- (PM) og svitsjende/synkrone reluktansmotorteknologi øker sine markedsandeler.

En rekke motorteknologier er for tiden tilgjengelige på markedet – fra de rimeligste til de mest effektive eller kompakte. Avhengig av anvendelsesområder vil motorer møte en rekke spesifikke krav, som hastighet, installasjon, sikkerhet, pålitelighet, lave støy- og vibrasjonsnivåer, holdbarhet og vedlikehold. Imidlertid forblir induksjonsmotorer de mest brukte, spesielt når trinnløs hastighet ikke er påkrevd.

Robuste og pålitelige

En årsak til induksjonsmotorens popularitet er dens robusthet, pålitelighet og enkle drift, den krever ikke kraftelektronikk. De nylig introduserte IE4-induksjonsmotorene – inkludert WEGs W22 Super Premium-motorer – tilbyr den høyeste effektiviteten for fasthastighetsanvendelser. Sammenlignet med en IE3-motor, kan en IE4-motor oppnå en reduksjon i energitap fra 10 til 24 prosent. IEC ser også for seg et høyere IE5-effektivitetsnivå i fremtiden, som er forventet å ha rundt 20 prosent mindre tap enn på IE4-nivå. Men når de mates fra frekvensomformere, presenterer de en betydelig redusert effektivitet, selv i konstant moment-anvendelser. I noen anvendelser vil de kanskje også måtte være overdimensjonerte eller utstyrt med mekanisk ventilasjon.

Les også: Tingenes internett passerer syv milliarder

PM-motorer mer effektive

Betydelig fremskritt innen kraftelektronikk og kontrollteknikker har ført til økt bruk av VSDer som en måte å øke energieffektiviteten i væskestrøm-anvendelser på. Med anvendelser som krever variable hastigheter, kan PM-motorer og synkron-reluktansmotorer levere IE4 eller høyere effektivitetsnivåer i samme rammestørrelse som induksjonsmotorer. Spesielt kan WMagnet IE4 PM-motorer være opptil to rammestørrelser mindre enn induksjons- og reluktansmotorer, mens WMagnet IE5 PM-motorer kan være i samme rammestørrelse som induksjonsmotorer, men veier mindre fordi de inneholder mindre aktivt materiale.

Dermed kan PM-motorer bidra til å øke prosesseffektivitet, fordi de gir høyere effektivitet enn induksjonsmotorer ved lav hastighet, og de trenger ikke overdimensjonering eller mekanisk ventilasjon. I tillegg gir denne motorteknologien høyt moment-til-strøm- og moment-til-volum-forhold, kompakthet og rask dynamisk respons. PM-motorer presenterer også den høyeste effektiviteten av alle motorer med høy kraftfaktor, grunnet fraværet av joule-tap i rotoren og eksitasjonsfluksen fra de permanente magnetene. Alle disse fordelene har ført til en betydelig økning i bruken av PM-motorer i en mengde anvendelser – fra husholdningsapparater (vaskemaskiner) til industrielle motorer (kompressorer, pumper og vifter), servostyringer og elektriske kjøretøy. Imidlertid har PM-motorer en høyere anleggsomkostning sammenlignet med induksjonsmotorer, da de er utstyrt med permanente neodymium-magneter. Ferrittmagneter kan brukes i svakstrømsanvendelser, lave kostnader er obligatoriske.

Les også: Vil ha norsk krafttak for industri

Mekanisk enkle motorer

Sammenlignet med induksjons- og PM-motorer, har svitsjende reluktansmotorer konsentrerte spoler i statoren og laminert stål med fremspringende tenner i rotoren, de er uten aluminiumsbur eller permanente magneter. En klar fordel med dette designet er at denne motorteknologien sikrer at det ikke er joule-tap i rotoren. Dette er også tilfellet for PM-motorer. I tillegg – som i induksjonsmotorer – gir svitsjede reluktansmotorer mekanisk enkelhet, robusthet og pålitelighet. Imidlertid krever de mer sofistikert elektronisk kontroll enn induksjonsmotorer. Disse egenskapene gjør dem spesielt passende for en mengde anvendelser – fra husholdningsapparater og industrielle motorer til elektriske kjøretøy. Svitsjende reluktansmotorer er også passende for store hastighetsområder og høyhastighetsdrift, inkludert kompressorer og maskinverktøy. For slike anvendelser kan disse motorene gi høyere effektivitet og effekttetthet enn induksjonsmotorer med tilsvarende kraft. Deres betydelige momentvandring kan føre til høye vibrasjoner og akustisk støy.

I motsetning til svitsjende reluktansmotorer kan synkrone reluktansmotorer enklere utvikles til å gi reduserte nivåer av momentvandring og akustisk støy og sinusbølger ved vekselstrømsdrift (roterende felt). Disse motorene bruker en vanlig flerfaset vekselstrømsstator og rotoren har fluksbarrierer i stedet for aluminiumsbur eller permanente magneter. Gitt at disse egenskapene kan synkronisere reluktansmotorer – som er elektronisk styrte – kan de brukes i en vid rekke industrielle og kommersielle anvendelser hvor variabel hastighet er nødvendig. Som svitsjende reluktansmotorer er de også passende for store hastighetsområder. Imidlertid er maksimal hastighetsdrift og motorytelse i stor grad avhengig av geometrien i fluksbarrierene i rotorlaget. Den private utbyggeren Aspelin Ramm bekrefter erfaringene til Statsbygg, byggautomatisering virker sjelden som det skal når et bygg overleveres

Disse motorene er attraktive fordi kostnaden for aktivt materiale er sammenlignbart med det for induksjonsmotorer og lavere enn for høyenergi PM-motorer. I tillegg tilbyr disse motorene lettheten med rotorvridning, flukssvekkeevne (som er viktig for å oppnå høye hastighetsområder) og de er egnet for store overbelastninger. Synkrone reluktansmotorer kan oppnå de samme energieffektivitetsnivåene som induksjonsmotorer, men deres effektfaktor er relativt lav, for tiden opptil 40 prosent høyere enn en tilsvarende induksjonsmotor.

 

Konklusjon

Som konklusjon kan vi fastslå at hvilken motorteknologi som er best for en spesiell anvendelse avhenger av en rekke faktorer, inkludert kostnad, størrelse og vekt, hastighetsområder, støy, vibrasjon, vedlikeholdsenkelhet og generell ytelse. Når det gjelder energieffektivitet har PM-motorer best ytelse, fordi de ikke presenterer tap i rotoren og derfor gir høyere effektivitet ved lavere frekvenser for konstant moment. Synkrone reluktansmotorer kan også oppnå IE4-effektivitet, men med høyere spenning og lavere effektfaktor, som kan påvirke størrelsen og kostnaden på motoren. Ikke desto mindre kan induksjonsmotorer, når korrekt designet og produsert riktig, også oppnå IE4-effektivitetsnivåer, og la ingeniører øke energieffektiviteten i drivsystemene, og møte og overgå gjeldende lovgivning.