75 lat postępu. Jak zmieniała się wydajność trójfazowych silników elektrycznych od 1945 r.
W ciągu ostatnich kilku dekad świat był świadkiem niezwykłego wzrostu wydajności urządzeń, który można przypisać przede wszystkim postępowi technologicznemu. Od komputerów i telefonów, po samochody i systemy energetyczne – innowacje w technologii i inżynierii przyczyniły się do zwiększenia efektywności, zmniejszenia zużycia energii i poprawy ogólnej jakości działania maszyn. Potwierdza to przykład trójfazowych1 silników indukcyjnych, który znakomicie ilustruje zmiany w wydajności. Przyjrzyjmy się badaniom i sprawdźmy, jak zmieniała się efektywność napędów w latach 1945-2020.
Zmiany technologiczne i gospodarcze a wydajność silników elektrycznych w latach 1945-2020
Pierwszy komercyjny dwubiegunowy silnik indukcyjny z mocą wału 4,4 kW wprowadzono na rynek w 1891 roku. Stosunek waga/moc wynosiła dla niego 86 kg/kW. Do lat 2000 ta wartość stopniowo spadała, ostatecznie osiągając 4,8 kg/kW. Różnica jest więc ogromna i świadczy o postępie technologicznym w produkcji trójfazowych silników indukcyjnych w okresie ponad 100 lat. Nie miał on jednak liniowego charakteru – w poszczególnych dekadach przebiegał inaczej. Przeanalizujmy lata powojenne aż do 2020 r.
1945-1960
Między 1945 a połową lat 60. elektryczne silniki trójfazowe indukcyjne z wirnikiem klatkowym (SCIMs) z roku na rok stawały się coraz wydajniejsze. Było to spowodowane szybkim rozwojem technologicznym i gospodarczym w okresie powojennym, kiedy to wprowadzanie innowacyjnych rozwiązań było na porządku dziennym. Kluczowe znaczenie wzrostu wydajności napędów w tym czasie miało przede wszystkim:
- zastosowanie ziaren zorientowanych w materiale ferromagnetycznym,
- użycie aluminium w wirniku,
- wprowadzenie istotnych ulepszeń projektowych,
- wykorzystanie wentylacji.
1960-80
W latach 1960-80 producenci budowali tanie i stosunkowo mało wydajne silniki trójfazowe, co wynikało głównie z niskich kosztów energii. Ograniczenie użycia materiałów takich jak miedź, aluminium czy stal przełożyło się na niższą efektywność napędów. Jednocześnie stawały się one coraz mniejsze pod względem rozmiarów za sprawą rozwoju materiałów izolacyjnych (szczególnie lakierów), które zaczęły wykazywać bardzo dobrą odporność na oddziaływanie wysokich temperatur.
W okresie 1960-80 spadek wydajności trójfazowych silników elektrycznych był tak duży, że w niektórych przypadkach osiągnął poziomy niższe niż w modelach sprzedawanych w 1945 roku! I chociaż napędy były tańsze w produkcji, zużywały więcej energii z powodu ich niskiej wydajności. Nikt się tym jednak za bardzo wówczas nie przejmował ze względu na niskie ceny energii. Poważne zmiany nastały dopiero w latach 80. XX w.
1980-2020
Począwszy od lat 80. producenci napędów zaczęli przykładać znacznie większą wagę do wydajności. Najważniejszą przyczyną zmiany podejścia były innowacje technologiczne, wzrosty cen energii i wynalezienie jeszcze efektywniejszych materiałów do budowy maszyn.
Jeśli chodzi o zmiany technologiczne w tym czasie, warto wspomnieć o wykorzystaniu zaawansowanego oprogramowania do projektowania strukturalnego. Przyczyniło się to do redukcji wibracji i hałasu, jednocześnie podnosząc efektywność działania silników trójfazowych. Innym ważnym aspektem była ewolucja w dziedzinie technologii materiałowej. Postępy w odlewnictwie blach stalowo-krzemowych oraz rozwinięcie efektywniejszych systemów chłodzenia miały pozytywny wpływ na wydajność w latach 1980-2020. Użycie w wirniku nowoczesnych materiałów, takich jak ferromagnetyki i aluminium, również znacząco wpłynęło na efektywność maszyn.
Wprowadzenie Minimalnych Standardów Wydajności Energetycznej (MEPS) dla silników elektrycznych okazało się kolejnym aspektem przyczyniającym się do rozwoju tych urządzeń. Standardy te zmusiły producentów do inwestowania w badania nad wzrostem wydajności, aby sprostać określonym normom energetycznym. W rezultacie firmy były zmotywowane do ciągłego doskonalenia technologii, co zaowocowało produkcją wydajniejszych i przyjaznych dla środowiska silników.
Czynniki wpływające na wzrost wydajności pracy trójfazowych silników elektrycznych w latach 1945-2020:
- zaawansowane projektowanie – użycie oprogramowania do modelowania pozwoliło na strukturalne ulepszenia, redukując wibracje i hałas,
- modelowanie elektromagnetyczne – trójwymiarowe modelowanie pól elektromagnetycznych umożliwiło optymalizację działania silników elektrycznych,
- technologia materiałowa – ulepszenia w odlewnictwie blach stalowo-krzemowych oraz użycie efektywniejszych systemów chłodzenia,
- zastosowanie nowoczesnych materiałów – m.in. ferromagnetycznych, aluminium w wirniku i rozwój materiałów izolacyjnych, zwłaszcza lakierów,
- zmiany w wartościach mocy i masy – zmiany w stosunku masa/moc silników spowodowane różnymi innowacjami technologicznymi również wpłynęły na ich wydajność,
- ulepszenia w konstrukcji wirników – przejście od wirników z żelaznych prętów do wirników z odlewanego aluminium wpłynęło na mniejszą gęstość i niższą rezystencję elektryczną,
- postęp w metalurgii – umożliwił budowę kompaktowych obudów silników, co wpłynęło na bezpieczeństwo i efektywność,
- innowacje w systemach izolacyjnych – przejście od bawełnianych izolatorów do jedwabnych znacząco zredukowało rozmiar izolacji i poprawiło wydajność.
Jak widać, w ciągu ostatnich 75 lat trójfazowe silniki elektryczne znacząco się zmieniły pod względem wydajności. Materiały izolacyjne dla przewodników elektrycznych przeszły przez kilka generacji – od bawełny i jedwabiu, do lakieru. Poprawki w obudowie, chłodzeniu, łożyskach, jakości materiałów aktywnych i projektowaniu były kolejnymi czynnikami, które umożliwiły wysokie wzrosty efektywności działania napędów elektrycznych. I są na to nawet konkretne dowody, które zaprezentowali badacze z Brazylii.
Badanie nad wydajnością trójfazowych silników elektrycznych w latach 1945-2020
Na podstawie analizy wyników badania przeprowadzonego w Laboratorium Maszyn Elektrycznych Instytutu Energii i Środowiska Uniwersytetu w São Paulo można wyciągnąć konkretne wnioski na temat zmian wydajności trójfazowych silników elektrycznych w latach 1945-2020. W badaniu wzięto pod lupę napędy o różnych, następujących mocach:
- 3,7 kW,
- 37 kW,
- 150 kW.
Były one testowane w zakresie prędkości odpowiadających dwóm i ośmiu biegunom. Silniki podłączono do niskiego napięcia, tak aby działały przy częstotliwości 60 Hz. Okres badawczy obejmował lata od 1945 do 2020, co pozwala na zrozumienie, jak technologia tych silników ewoluowała przez dekady. Badanie potwierdziło skumulowane zyski wydajności powyżej 10% w niektórych przypadkach. Innowacje technologiczne zastosowane w trójfazowych silnikach elektrycznych nie są więc jedynie kosmetyczne, a mają rzeczywisty wpływ na ich wydajność i zużycie energii.
Wykres przedstawia zmiany wydajności badanych silników trójfazowych typu 2-biegunowego na przełomie lat od 1945 do 2020. Oś X reprezentuje lata, podczas gdy oś Y ilustruje przeciętną wydajność napędów w procentach. Wykres potwierdza, że generalnie ona rośnie w analizowanym okresie. W 1945 roku średnia wydajność wynosiła około 78-80%, podczas gdy w 2020 roku osiągnęła poziom 88-96%.
Największy skok wydajności można zaobserwować między latami 1945 a 1970, co może być wynikiem intensywnych badań i rozwijania nowych technologii w okresie powojennym. Po tym czasie tempo wzrostu wydajności wykazuje pewną stabilizację, co można powiązać z mniejszym naciskiem na poprawę efektywności pracy napędów z uwagi na tanią energię.
Co przyniesie przyszłość
Wnioski są jasne i potwierdzają wcześniejsze obserwacje: technologia silników trójfazowych znacząco się poprawiała, a inwestycje w badania i rozwój w tej dziedzinie przyniosły wymierne korzyści w postaci zwiększonej wydajności. Wynika to z wprowadzania innowacji i usprawnień w materiałach, projektowaniu, konstrukcji i normach. Czy w najbliższych dziesięcioleciach te wzrosty będą kontynuowane, a trójfazowe silniki elektryczne z dekady na dekadę będą pracować coraz efektywniej? Czas pokaże.
Źródła
