Po penkiasdešimties metų WEG tapo viena didžiausių elektros mašinų, galios transformatorių, elektronikos komponentų, pramoninės automatikos, dažų ir izoliacinių lakų kompanijų pasaulyje. Dabar šioje dinamiškoje įmonėje dirba apie 31 tūkst. darbuotojų, jos apyvarta viršija du milijardus eurų.
WEG savo veiklą pradėjo 1961 m. rugsėjo 16 d., kai Werneris Ricardo Voigtas, Eggonas João da Silva ir Geraldo Werninghausas įsteigė elektros mašinų gamybos įmonę „Eletromotores Jaraguá“, Žaragvos do Sulis miestelyje, Santa Katarinos valstijoje, Brazilijoje. Vėliau įmonė buvo pervadinta steigėjų vardų pirmųjų raidžių akronimu WEG, vokiečių kalba reiškiančiu kelią.
WEG plėtojama kaip konsoliduojanti, visą elektrotechnikos ir energetikos pramonės šaką apimanti sistemų tiekėja. Produkcija eksportuojama į daugiau negu 100 pasaulio šalių. Gaminiai yra labai aukštos kokybės ir vidutinės kainos. Tuo įsitikinau tyrinėdama WEG asinchroninius variklius.
Gamybos procese į atmosferą dažnai patenka šiltnamio efektą katalizuojantys produktai. WEG superka žemės ūkio nualintas teritorijas ir užsodina jas miškais, taip paversdami savo koncerną 100% ekologiška įmone.
Didžiausia problema – asinchroninių variklių efektyvumas
WEG W 22 Quattro PM IE4 sinchroninis variklis
Taigi, mane suintrigavo WEG tinklalapyje paskelbtas Jungtinės Karalystės padalinio elektros mašinų specialisto Andrew Glowerio straipsnis „Kaip nuostolius paversti pelnu“ („Turning losses into gains“). Andrew teiginiams patikrinti atlikau matematinį eksperimentą. Jo surinktais statistiniais duomenimis, standartiniai asinchroniniai varikliai sunaudoja apie 30 % visos pasaulyje pagaminamos elektros energijos. Darosi aišku, kodėl asinchroninių variklių efektyvumo didinimas yra svarbus ir kodėl šia kryptimi atliekama tiek mokslinių tyrimų ir ruošiamos naujos gamybos technologijos.
Energetinis variklių efektyvumas skatinamas ir reglamentavimu. ES ekologinio projektavimo direktyva Nr. 640/2009, įsigaliojusi 2011 m. birželį, nurodo, kad gaminami varikliai privalo būti ne žemesnės negu IE2 energetinio efektyvumo klasės. Toliau griežtinami efektyvumo reikalavimai valdomoms kintamojo greičio pavaroms, kurios nuo 2017 m. privalo atitikti IE3 efektyvumo klasę. Šiuo metu ekologinio projektavimo nuostatos tikslinamos ir numatoma reikalavimus kuriamiems varikliams artimiausioje ateityje padidinti iki IE4 efektyvumo lygio.
Ne tik dėl reglamentavimo vartotojai priversti nuolat ieškoti veiksmingų būdų, kaip mažinti suvartojamos elektros energijos kiekį, o kartu mažinti ir aplinkos taršą. ES skatina spręsti klimato kaitos klausimus ir galvoti apie nuolat didėjančią energijos kainą. Pažvelkime, ką daro elektros variklių gamintojai, kad elektros energijos nuostoliai sumažėtų, o varikliai atitiktų IE4 efektyvumo lygį?
Norint suprojektuoti IE4 efektyvumo klasės elektros variklį, reikia jo nuostolius sumažinti 10–24 %, palyginti su ankstesne IE3 klase. Kyla klausimas, kaip tai padaryti?
WEG IE2 efektyvumo klasės asinchroninis variklis
Reikia žinoti, kuriose variklio dalyse tie nuostoliai susidaro, ir numatyti, kaip juos sumažinti. Pavyzdžiui, WEG, IE4, W22, 30 kW, 4 polių asinchroninio variklio nuostoliai statoriaus apvijose yra 43,7 %, statoriaus magnetolaidžio nuostoliai – 26,7 %, rotoriaus nuostoliai – 20,4 %, mechaniniai nuostoliai – 3,53 %, maitinimo įtampos nesinusiškumo sukelti nuostoliai – 0,67 % ir papildomi nuostoliai sudaro 4,91 %. Kaip matome, šios rūšies varikliams svarbiausia mažinti nuostolius apvijose. Tačiau mažinant bet kurią nuostolių dalį, neišvengiamai didės variklio kaina.
Elektros variklio efektyvumui turi įtakos jo naudojimo ypatybės, specifiniai reikalavimai paleidimo srovei, paleidimo momentui, galios ir naudingumo faktoriams. Iššūkis iki minimumo sumažinti galios nuostolius yra susijęs ne tik su kainos padidėjimu ir kai kurių charakteristikų pasikeitimu, bet taip pat ir su triukšmų, vibracijų bei įšilimo pokyčiais.
Statoriaus apvijos nuostoliai
Nuostolių sąrašo viršuje dažniausiai būna statoriaus apvijos nuostoliai. Siekiant juos sumažinti, reikia mažinti apvijų varžą. Yra du pagrindiniai būdai su keliomis išimtimis, kaip tai gali būti pasiekta – didinant apvijų laido skerspjūvį arba statoriaus ilgį. Kai didinamas ar mažinamas laido skersmuo, drauge mažėja arba didėja į griovelį telpančių vijų skaičius. Išlaikant tą patį laido skersmenį, didinant vijų skaičių ir didinant statoriaus ilgį, būtina tobulinti vijų suklojimo technologiją, nes padidėjus griovelio užpildos faktoriui, pasunkėja apvijos suklojimas į griovelius. Jei didinamas griovelio plotas, siaurėja statoriaus dantys ir plonėja jungas, dėl to didėja statoriaus magnetolaidžio nuostoliai.
Jei mažinamas statoriaus apvijos vijų skaičius, sumažėja griovelio užpildos faktorius, bet ir šiuo atveju neišvengiama magnetinio srauto, o kartu – magnetinio srauto tankio ir statoriaus magnetolaidžio nuostolių padidėjimo.
Jeigu statoriaus ilgis ir laido skersmuo didinami, vijų skaičiaus mažinimas leidžia išlaikyti pradinius statoriaus griovelio geometrinius matmenis sumažinant nuostolius, tačiau tada išauga laidų ir plieno paketo kaina. Žinoma, didinant statoriaus ilgį, laidininkų ir plieno paketo kaina didėja. Statoriaus apvijos varža tampa didesnė, didėja elektriniai nuostoliai, bet tai kompensuoja mažesni magnetiniai nuostoliai dėl magnetinio srauto tankio statoriuje mažėjimo.
Variklio veikimo charakteristikos išlieka tokios pačios, nes magnetinio srauto vertė lieka nepakitusi.
Variklio statoriaus ilgio didinimas duoda dar vieną teigiamą efektą. Sąlyčio plotas tarp statoriaus magnetolaidžio išorinio paviršiaus ir variklio korpuso padidėja, dėl to pagerėja šilumos atidavimas į korpusą, vadinasi, bus mažiau sunaudojama energijos ventiliacijai.
Rotoriaus nuostoliai
WEG W22 Magnet Ultra Premium IES pavara su dažnio keitikliu
Rotoriaus nuostoliai yra ne tiktai strypų laidumo problema. Svarbus veiksnys yra rotoriaus strypų ir trumpojo jungimo žiedų geometrinės formos, nors kelios formos jau yra dažniausiai naudojamos gamintojų ir yra aprašytos techninėje literatūroje. Problema yra ne tai, kaip tinkamai suprojektuoti rotoriaus narvelį, bet tai, kaip jį technologiškiau pagaminti.
Siekiant sumažinti nuostolius lieto aliuminio rotoriaus narvelyje, turėtų būti naudojama modeliavimo programinė įranga, leidžianti analizuoti žiedų ir strypų užpildymą aliuminio lydiniu skirtingomis laiko akimirkomis ir iksuoti technologinio proceso parametrų koreliaciją.
Kitas svarbus aspektas siekiant sumažinti nuostolius rotoriuje susijęs su rotoriaus strypų ir trumpojo jungimo žiedų laidumu. Kokie specifiniai pranašumai ir trūkumai naudojant varį arba aliuminį? 2011 m. WEG atliko tyrimą, norėdama nustatyti narvelinio rotoriaus gamybos galimybes žemos įtampos asinchroniniams varikliams, naudojant varinę rotoriaus apviją vietoje tradicinės aliumininės, kad būtų padidintas variklio efektyvumas ir sumažintos suvartojamos energijos išlaidos. Tyrimas parodė, kad 15 kW 4 polių IE3 varikliui rotoriaus apvijai naudojant varį, santykis kaina/kg su varine apvija gali būti 1,1 karto didesnis, palyginti su aliuminine apvija. Tuo atveju jau gaunamas teigiamas ekonominis efektas trifaziams pramoniniams asinchroniniams varikliams.
Mechaniniai nuostoliai
Ventiliacinėje sistemoje yra daug rezervų mechaniniams nuostoliams mažinti, ypač – dvipoliams varikliams. Dėl didesnio energetinio efektyvumo IE4 variklis šils žymiai mažiau. Sumažinus ventiliacinės sistemos sparnuotę, sumažėtų ir akustinis triukšmas. Reiktų parinkti optimalius ventiliatoriaus sparnuotės mentelių aukščio ir jų tarpusavio atstumo santykius. Variklio išvadų dėžutei turi būti parinkta vieta ant korpuso taip, kad minimaliai trukdytų orui aptekėti. Ventiliatoriaus sparnuotė turi aušinti ne tik korpusą, bet ir dangčiuose esančius guolius. Optimizuojant ventiliatorių, turi būti atsižvelgta ne tik į aušinimo efektyvumą, bet ir į sparnuotės keliamą triukšmą.
Magnetiniai nuostoliai
Daugiau negu pusę asinchroninės mašinos nuostolių sudaro statoriaus apvijų ir magnetolaidžio nuostoliai.
Viena pagrindinių efektyvumo mažėjimo priežasčių yra magnetiniai nuostoliai. Atrodytų, kad lengva juos išspręsti, naudojant magnetolaidžiui aukštesnės kokybės silicio plieno lakštus, plonesnius už įprastinius. Tačiau tai, kaip ir daugeliu efektyvumo didinimo atvejų, susiję su išlaidų didėjimu. Plonesni lakštai leidžia mažinti nuostolius, bet padidina išlaidas magnetolaidžiui dėl jų
WEG švelniai paleidžiami įrenginiai
sluoksnių kiekio padidėjimo. Tačiau kai kurioms naujovėms įdiegti nereikia papildomų pridėtinių išlaidų. Naudojant programinę įrangą magnetiniams nuostoliams apskaičiuoti, susiduriama su tam tikru įmagnetinimo charakteristikos B = f(H), gautos Epstein rėmelio metodu, neatitikimu realiems procesams variklio magnetolaidyje.
Norint tinkamai įvertinti plieno lakšto magnetines savybes, įmonėje WEG buvo sukurtas trijų fazių elektromagnetinis prietaisas, kuris generuoja tokį patį magnetinį srautą, koks yra realiame variklyje. Jis leidžia įvertinti statoriaus magnetinius nuostolius, atsižvelgiant į lakšto geometriją ir sūkurinių srovių įtaką. Kitaip nei tradiciniai bandymai, tai leidžia įvertinti visus statoriaus magnetinius nuostolius, susidarančius junge ir dantų zonoje.
Ateities kelias – WEG
Perspektyva pasiekti elektros variklių IE4 efektyvumą skatina projektuotojus ir gamintojus iš galimybių gausos pasirinkti teisingus sprendinius. Kiekvienas žingsnis, kuriuo siekiama pagerinti energetinį efektyvumą, daro įtaką išlaidoms, todėl būtina suprasti apvijose ir magnetolaidyje vykstančius reiškinius ir atsirinkti geriausius konstrukcinius sprendimus.
Tinkamai suprojektuoti ir pagaminti asinchroniniai varikliai gali atitikti IE4 energetinio efektyvumo lygį.
Realiai jau egzistuoja varikliai atitinkantys būsimąją IE5 efektyvumo klasę.
Tuo įsitikinau, apibendrinusi eksperimento rezultatus. Iššūkis suprojektuoti IE4 efektyvumo ar dar aukštesnės klasės asinchroninį variklį yra visiškai realus, reikia tikėtis, kad naujos medžiagos ir technologijos artimoje ateityje leis koncernui tai įgyvendinti. Variklių klasėje su nuolatiniais magnetais rotoriuje (sinchroniniai) „W22 Magnet Ultra Premium“ jau yra pasiekta aukščiausia efektyvumo klasė pasaulyje. Taigi realiai jau egzistuoja elektros varikliai, atitinkantys būsimąją IE5 efektyvumo klasę.
Minėtina, kad WEG asinchroniniai varikliai išsiskiria dideliu energetiniu efektyvumu. Dėl progresyvios technologijos jų geometrinių matmenų ir parametrų sklaida itin maža.
Neiškyla jokių problemų, prijungiant variklį prie darbo mašinos ar bandymų stendo. Todėl šiuos variklius tikslinga naudoti įvairiuose moksliniuose tyrimuose, ypač tais atvejais, kai panaudojami du varikliai, panaikinant apvijų nepageidautinų tarpusavio indukcijų įtaką. Juolab kad WEG atstovai Lietuvoje remia ir inžinierių ruošimą, ir mokslinius tyrimus, suteikdami svarią paramą.
