Zvyšování účinnosti elektrických motorů pro splnění nařízení komise EU 2019/1781

Zvyšování účinnosti elektrických motorů pro splnění nařízení komise EU 2019/1781

S rostoucími nároky společnosti na ekologické aspekty nových technických zařízení se pozornost zaměřila také na ekologický design elektrických motorů. Bylo vydáno nové nařízení komise EU 2019/1781, které upravuje energetické třídy účinnosti motorů do 200 kW.

Mnohé navržené motory nedosahují potřebných hodnot účinnosti a nemohly by nadále být uváděny na evropský trh. Je potřeba předělat jejich původní návrh, změnit parametry motoru a docílit vyšší účinnosti pro splnění tohoto nařízení.

Klasický postup při návrhu elektrických motorů či jejich úpravy vychází ze zkušeností návrhářů a z analytických vzorců. Tyto vzorce však mohou být zastaralé a nepopisují dostatečně pracovní parametry motoru tak, aby bylo dosaženo jeho vyšší účinnosti. Navíc tyto postupy jsou mnohdy časově náročné a dochází k několikanásobnému přepočítávání. Tyto neduhy odstraňuje software Ansys RMxprt, který urychlí optimalizaci pracovních parametrů elektrických motorů a pomůže navrhnout co nejlepší motor.

Při návrhu elektrického motoru lze optimalizovat mnoho parametrů, od základních geometrických parametrů jako je kubatura stroje, přes tvar a počet drážek, parametry vinutí statoru a rotoru, až po materiálové vlastnosti. Všechny tyto vstupy lze zadat do softwaru Ansys RMxprt a přehledně zobrazit vliv jejich změn na výsledné parametry stroje.

Mnohdy je potřeba optimalizovat již hotový návrh motoru a zároveň není žádoucí zasahovat do těch parametrů, které by ovlivnily geometrii motoru tak, že by bylo nutné pořizovat nové raznice, popřípadě měnit použité materiály. Obzvláště v těchto případech Ansys RMxprt ukáže svou sílu vůči klasickým metodám. Typickým příkladem je zvýšení účinnosti asynchronního motoru při zachování záběrného momentu nad určitou hodnotu, zachování jmenovitých otáček motoru a jeho přetížitelnosti.

Na obr. 1. a 2. jsou zobrazeny průběhy výkonu, účinnosti, a momentu 3fázového asynchronního motoru 200 kW navrženého klasickou analytickou metodou. Z grafů je vidět, že pracovní parametry navrženého stroje jsou dobré a jmenovité hodnoty jsou v oblasti nejvyšší účinnosti. Nicméně motor nedosahuje požadované účinnosti dle nařízení komise EU 219/1781, která je 95 % pro rok 2021, a další zvýšení na 95,8 % v roce 2023.

Obr. 1. Průběh výkonu (červená křivka) a účinnosti (zelená křivka) analyticky navrženého motoru

Obr. 2. Průběh momentu analyticky navrženého motoru

Obr. 3. a 4., které zobrazují průběhy výkonu a účinnosti, resp. Momentu optimalizovaného 3f asynchronního motoru 200 kW pomocí softwaru Ansys RMxprt, ukazují, že změnou parametrů vinutí statoru a kruhů rotorové klece dosáhnout vyšší účinnosti a splnit tak nařízení komise EU 2019/1781.

Obr. 3. Průběh výkonu a účinnosti optimalizovaného návrhu motoru pomocí Ansys RMxprt

Obr. 4. Průběh momentu optimalizovaného návrhu motoru pomocí Ansys RMxprt

Porovnání jmenovitých parametrů analyticky navrženého asynchronního motoru a optimalizovaného stroje je na obr. 5. Z dat je patrné, že pomocí optimalizace jsme zároveň zlepšili parametry motoru jako jsou záběrný moment a moment zvratu.

Obr. 5a. Analytický návrh motoru / 5b. Optimalizovaný motor AnsysRMxprt

Software Ansys RMxprt je rychlý návrhář elektrických točivých strojů. Jeho hlavním přínosem je optimalizace návrhu motorů, kdy vliv vstupních parametrů na výsledné pracovní charakteristiky stroje je spočten během několika vteřin. Výrazně tím zkracuje dobu pro přepočítávání jednotlivých charakteristik a optimalizaci návrhu motoru pomocí analytických metod. Také pomáhá najít vhodnou kombinaci parametrů motoru pro splnění všech požadovaných pracovních charakteristik na elektrický stroj, definovaných technickými normami nebo požadavky zákazníků, s vědomím toho, že vliv těchto parametrů působí proti sobě a není proto snadné nalézt žádané optimum.

Autor: Radek Fajtl