Przemysłowe silniki elektryczne – zarządzanie dla obniżenia kosztów produkcji

Zastosowanie nowoczesnych silników o wyższej sprawności energetycznej oraz napędów o zmiennej prędkości (VSD) pozwala firmom przemysłowym na obniżenie kosztów produkcji dzięki mniejszemu zużyciu energii elektrycznej.

Dla branż zależnych od stabilnych dostaw energii, wahania jej cen oraz dostępności mogą powodować zakłócenia w łańcuchach dostaw, zwłaszcza w związku ze wzrostem cen uprawnień do emisji CO₂.

Przejście na odnawialne źródła energii i uzależnienie Europy od importu gazu ziemnego sprawiają, że dostawy energii stają się coraz bardziej niestabilne. Dlatego niezbędne jest maksymalne zwiększenie efektywności energetycznej zakładów produkcyjnych, ponieważ silniki elektryczne odpowiadają za większość zużycia energii w przemyśle.
 

Czym jest i działa silnik elektryczny przemysłowy

Silnik elektryczny przemysłowy to urządzenie przekształcające energię elektryczną w energię mechaniczną, wykorzystywaną m.in. w maszynach, liniach produkcyjnych czy nawet jako napęd w pojazdach. W zależności od aplikacji, mogą być stosowane silniki jednofazowe lub trójfazowy silnik, który oferuje jeszcze większą moc i wydajność. 

Najczęściej spotykanym rozwiązaniem w przemyśle jest silnik indukcyjny, znany z prostej budowy i niezawodności. Tego typu jednostki, o mocach od kilku watów do kilkuset kW, często współpracują z przekładnią, umożliwiającą dopasowanie momentu obrotowego do wymagań maszyny. 

Zasada działania polega na wytworzeniu wirującego pola magnetycznego, które napędza wirnik, powodując jego ruch z określoną prędkością obrotową. Całość zamknięta jest w trwałej obudowie, która chroni komponenty przed uszkodzeniem. Silniki przemysłowe muszą być efektywne, trwałe i dostosowane do konkretnej aplikacji, by zapewnić niezawodność i oszczędność energii.

Rodzaje silników elektrycznych

Wraz z rozwojem technologii powstało wiele typów silników elektrycznych, które dzielą się na dwie główne grupy: silniki prądu stałego (DC) i przemiennego (AC).

Silniki prądu stałego (DC)

Zasilane są prądem stałym i mają prostą budowę (komutator, wirnik i stojan). Wykorzystywane są m.in. w taśmach transportujących, wiertarkach i systemach regulacji prędkości.

Silniki prądu przemiennego (AC)

Szeroko stosowane w przemyśle, dzielą się na:

• Indukcyjne (asynchroniczne) – najpopularniejsze, proste w budowie, występują jako silniki klatkowe i pierścieniowe. Działają dzięki wirującemu polu magnetycznemu. Wirnik zawsze obraca się wolniej niż pole magnetyczne (występuje tzw. poślizg).

• Synchroniczne (z magnesami trwałymi) – mają taką samą prędkość wirnika i pola magnetycznego. Wymagają rozruchu do prędkości synchronicznej, najlepiej za pomocą falownika. Stosowane tam, gdzie wymagana jest stała prędkość (np. drukarki, maszyny pakujące).

• Szczotkowe (komutatorowe) – dzielą się na jednofazowe i trójfazowe (bocznikowe i szeregowe). Komutator i szczotki zmieniają kierunek prądu, utrzymując stały obrót. Pozwalają na precyzyjną regulację prędkości, ale mają niestabilną pracę i mogą się zatrzymywać przy dużym obciążeniu.

Zarządzanie przemysłowymi silnikami elektrycznymi w zakładach produkcyjnych

Pierwszym krokiem w poprawie efektywności energetycznej jest ocena stanu silników w zakładach przemysłowych, ponieważ wiele z nich może mieć zbyt dużą moc w stosunku do rzeczywistych potrzeb. Silniki napędzające urządzenia takie jak wentylatory czy pompy często pracują przy częściowym obciążeniu, wykorzystując mechaniczne metody regulacji prędkości, co prowadzi do marnowania energii.

Zakup silnika o odpowiedniej mocy lub zainstalowanie napędu o zmiennej prędkości (VSD) może znacznie poprawić efektywność. Napędy VSD (falowniki) umożliwiają precyzyjną regulację prędkości i momentu obrotowego, co pozwala na lepsze dopasowanie silnika do obciążenia. Dzięki temu silnik pracuje bardziej wydajnie, co przekłada się na oszczędności energetyczne, nawet przy różnych prędkościach.

Inwestowanie w długoterminową efektywność energetyczną

Przy planowaniu inwestycji w silniki, istotne jest uwzględnienie wieku oraz stanu technicznego urządzeń w zakładzie produkcyjnym. Starsze silniki mogą mieć uzwojenia, które były wielokrotnie przewijane w trakcie ich eksploatacji. Choć istnieje możliwość, by takie silniki odzyskały pierwotną sprawność poprzez przewinięcie uzwojeń, w praktyce często nie przynosi to oczekiwanych rezultatów. Dodatkowo, starsze modele silników, wymagające przewinięcia, mogą mieć gorszą efektywność energetyczną w porównaniu do nowoczesnych technologii. W Unii Europejskiej i Wielkiej Brytanii nowe silniki muszą spełniać coraz surowsze wymagania efektywności energetycznej, w zależności od ich rodzaju i przeznaczenia. Na przykład, od lipca 2021 roku wszystkie nowe silniki trójfazowe, powszechnie używane w przemyśle spożywczym, muszą spełniać normy sprawności klasy IE3.

Choć decyzja o przewinięciu uzwojeń silnika może początkowo obniżyć koszty zakupu, z czasem może okazać się droższa ze względu na wyższe zużycie energii przez starszy silnik. W długim okresie koszt energii elektrycznej zużywanej przez silnik może być nawet 30 razy wyższy od ceny zakupu urządzenia. Dlatego inwestycja w nowe, bardziej energooszczędne silniki, mimo wyższych kosztów początkowych, może szybko przynieść zwrot w postaci oszczędności na energii.

Wymiana starszych i nieoptymalnych silników na nowe, o właściwie dobranej mocy i spełniające standardy sprawności IE3 lub IE4, przynosi znaczne oszczędności energetyczne, zwłaszcza gdy połączymy je z napędami VSD. Jednak jak dyrekcje fabryk mogą wiedzieć, kiedy silniki wymagają wymiany?

Instalacja inteligentnych czujników w istniejących silnikach pozwala na monitorowanie ich wydajności w czasie rzeczywistym. Czujniki te rejestrują parametry takie jak wibracje czy temperaturę, dzięki czemu mogą sygnalizować personelowi technicznemu, kiedy wydajność silnika odbiega od optymalnej. To pozwala na podjęcie decyzji, czy silnik wymaga wymiany na nowy.

Dzięki strategiom, które umożliwiają uzyskanie dokładniejszych danych na temat efektywności energetycznej silników, dobraniu silników o odpowiedniej mocy oraz wymianie starszych modeli na bardziej energooszczędne, przedsiębiorstwa produkcyjne mogą osiągnąć znaczące oszczędności energii. Efektywniejsze energetycznie fabryki uzyskują większe zyski, są bardziej odporne na zmiany, bardziej elastyczne i mogą cieszyć się lepszymi referencjami środowiskowymi.