Končí éra klasických asynchronních motorů?

Když v roce 1889 firma AEG slavnostně zahájila jako první výrobce na světě sériovou výrobu asynchronních elektromotorů, patrně nikdo z přítomných netušil, že tento princip motoru ovládne trh minimálně na dalších 120 let.

Asynchronní motory dnes pohánějí zhruba 90 % všech stabilních rotačních zařízení, jako jsou čerpadla, ventilátory či kompresory. Jsou však aplikace, kde tento poměr už zdaleka neplatí: v oboru TZB se jedná především o oběhová čerpadla. Od ledna 2013 již prakticky všichni evropští výrobci bezucpávkových mokroběžných oběhových čerpadel přešli – v souladu se Směrnicí Evropské Unie č. 641/2009, resp. 622/2012 – na synchronní elektronicky komutované motory, aby splnili zpřísněné požadavky na účinnost využití elektrické energie. Je pravděpodobné, že obdobný trend, i když s určitými technickými změnami, bude postupně probíhat i u větších ucpávkových čerpadel. Z dalších produktů v oboru TZB je tento trend patrný také u ventilátorů.

Účinnosti motorů

Zhruba polovinu elektrické energie vyrobené v zemích EU spotřebovávají v sektoru průmyslu a živností elektrické motory. Je tedy logické, že technické provedení motorů a jejich úsporný provoz jsou předmětem regulace ze strany Evropské Unie. Již zmíněná Směrnice č. 641/2009 stanovuje požadavky na čerpadla, kde motor tvoří spolu s hydraulickou částí čerpadla jeden kompaktní celek a účinnost motoru a hydrau­lické části nelze změřit odděleně. Oproti tomu Směrnice č. 640/2009 o ekodesignu elektromotorů se týká samostatných elektrických motorů. Ty se v oboru TZB používají například u in-line čerpadel, kozlíkových čerpadel nebo ventilátorů.

Ve směrnici č. 640/2009 jsou stanoveny minimální požadavky na účinnost elektromotorů pomocí mezinárodní klasifikace tříd účinnosti IE 1 až IE 3:

• IE 1 standardní účinnost (Standard),
• IE 2 zvýšená účinnost (High),
• IE 3 vysoká účinnost (Premium).

Nad rámec této směrnice je ještě mezinárodní organizací IEC (International Electrotechnical Commission) stanovena třída:

• IE4 velmi vysoká účinnost (Super-Premium).

Hodnoty účinností na příkladu 4pólových motorů jsou zřejmé z grafu na obrázku 1.

V současné době je standardem třída IE2. Motory třídy IE1 se v Evropské unii již od roku 2011 nesmí dodávat. Třída IE3 bude povinná od roku 2015 pro motory bez elektronických měničů otáček od výkonu 7,5 kW výše. Motory vybavené frekvenčními měniči zatím budou moci být i nadále ve třídě IE2. Od roku 2017 pak budou muset požadavky třídy IE3 splnit i motory nižších výkonů od 0,75 kW.

Synchronní motory

Třída IE4 byla definována v předpisu IEC 60034-31 a její po­užití je prozatím dobrovolné. Zatímco nižší třídy IE1 až IE3 jsou definovány pro asynchronní motory, u třídy IE4 princip motoru není předepsán. Pro klasické asynchronní motory jsou totiž technické požadavky této třídy, při ekonomicky únosné výrobě, již obtížně splnitelné. Výrobců v této kategorii na evropském trhu není zatím mnoho a většinou se jedná o motory synchronní, buď s permanentními magnety anebo reluktanční synchronní motory bez magnetů.

Praktické použití motorů s permanentními magnety je omezeno spíše na nižší výkony, neboť cena magnetických mate­riálů by neúměrně zvyšovala cenu finálního produktu. V menších velikostech jsou však již tyto motory velmi rozšířené, a sice jako tzv. EC-motory (EC = electronically commutated, elektronicky komutované) u bezucpávkových čerpadel. Jedná se například o řadu Magna (Grundfos), Stratos (Wilo) nebo Rio-Eco (KSB). V tomto případě motor tvoří kompaktní celek s čerpadlem. Proto není posuzován samostatně a tyto motory nenesou označení IE4, i když jejich účinnosti jsou s touto třídou srovnatelné. U suchoběžných čerpadel s oddělitelným motorem používá v současnosti tuto technologii Wilo Stratos Giga, který je ale zatím vyráběn pouze v jedné výkonnostní řadě motorů (4,5 kW).

Druhým typem motorů, které mohou splnit požadavky třídy IE4, je synchronní reluktanční motor bez permanentních magnetů. Motor s touto konstrukcí nabízí na našem trhu výrobce KSB pod názvem Supreme, a to v rozsahu od 0,55 do 45,0 kW. Motor Supreme je po­užitelný například pro čerpadla Etaline, Etabloc a Etanorm. Dalším výrobcem motorů založených na tomto principu je ABB, a to v rozsahu od 11 do 315 kW.

Princip funkce synchronního reluktančního motoru

Synchronní reluktanční motor má stator s obdobnou konstrukcí jako asynchronní motor s děleným vinutím. Rotor je tvořen svazkem rotorových plechů se speciální geometrií pro usměrnění magnetického toku (obrázek 3).

V preferovaném směru magnetického toku je jen nepatrný magnetický odpor, naopak ve směrech nežádoucího toku jsou vzduchové mezery. Vinutí statoru, oddělené zářezy, vytvoří při napájení trojfázovým proudem magnetické pole, otáčející se ve vzduchových mezerách motoru. Otáčky rotoru jsou stejné jako otáčky točivého magnetického pole, tedy synchronní s magnetickým polem, na rozdíl od motoru asynchronního, kdy rotor sleduje magnetické pole s určitým zpožděním. Při napájení synchronního motoru přes frekvenční měnič se dají otáčky plynule měnit od nuly až po provozní otáčky. Při zapojení měniče se synchronizuje rotor a sleduje se rotující magnetické pole. Regulací přes frekvenční měnič je též sledována pozice rotoru tak, aby rotor nezůstal v nežádoucí poloze. Provoz motoru s tímto principem je tedy možný pouze ve spojení s frekvenčním měničem, který je touto funkcí vybaven.

Výhody a použití synchronního motoru

Výhodou synchronního motoru je především vyšší účinnost, a to nejenom při jmenovité zátěži motoru (tam je rozdíl oproti asynchronním motorům IE3 řádově několik procent, v závislosti na jmenovitém výkonu), ale zejména v oblasti částečné zátěže (obrázek 4). Tam se rozdíl pohybuje dokonce v řádu několika desítek procent.

Reluktanční synchronní motory jsou tedy provozně levnější, ale prozatím investičně dražší než klasické asynchronní motory. Investice do lepších motorů však má ekonomicky přijatelnou dobu návratnosti, která se může pohybovat mezi 2 až 6 lety, v závislosti na ceně energie a způsobu provozu (typ zátěže). Podmínkou krátké návratnosti je samozřejmě dostatečný počet provozních hodin za rok. Právě u oběhových čerpadel ve vytápění budov, u dálkového vytápění a u chladicích okruhů je typický provoz se střídavou zátěží, kdy motor čerpadla běží na jmenovité hodnoty průtoku a dopravní výšky pouze malou část topné (či chladicí) sezóny, jinak běží čerpadlo díky škrti­cím armaturám v okruhu zpravidla na 25 až 50 % jmenovitého průtoku. Zátěž motoru při použití frekvenčních měničů, které udržují konstantní (nebo variabilní) dopravní výšku, může být ještě menší: příkon totiž klesá vůči otáčkám s třetí mocninou.

Zátěžový profil Modrý anděl

V souvislosti s volbou kritérií pro výběr nejvhodnějšího motoru, respektive kombinace motor-čerpadlo je vhodné zmínit výzkum provozních stavů oběhových čerpadel v otopných soustavách, který probíhal v roce 2005 v Německu pod záštitou ekologické značky Blauer Engel (= Modrý anděl). Předmětem výzkumu byl vliv různých faktorů (venkovní teplota, tepelné zisky atd.) na skutečný průtok v hydraulickém okruhu a jak se během topné sezóny liší skutečný průtok od jmenovitého průtoku, který stanovil projektant pro výpočtové podmínky. Charakteristická křivka čerpadel byla rozdělena na 4 čtvrtiny:

• jako 100% průtok se bere průtok mezi 87,5 až 100 % jmenovitého průtoku
• 75% je průtok mezi 62,5 až 87,5 % jmenovitého průtoku
• 50% je průtok mezi 37,5 až 62,5 % jmenovitého průtoku
• 25% je průtok mezi 0 až 37,5 % jmenovitého průtoku.

Výsledek výzkumu je na obrázku 5 a vyplývá z něj, že na jmenovitý průtok (87,5 až 100 % průtoku) běží oběhové čerpadlo v průměru pouze 6 % provozní doby během topné sezóny. Zdaleka největší podíl provozu, téměř 80 % provozní doby, spadá do oblasti s maximálně 62,5 % jmenovitého průtoku. Tedy do oblasti, ve které má synchronní reluktanční motor výrazně vyšší účinnost. V rozsahu od 5 % do 25 % dokonce o cca 40 % oproti asynchronnímu motoru (viz obr. 4)!

Na základě výsledků tohoto výzkumu byl stanoven tzv. Lastprofil Blauer Engel (Zátěžový profil Modrý Anděl), který se v Německu běžně používá při ověření návratnosti investic do čerpadel s lepší účinností. Zátěžový profil Modrý anděl často již bývá přednastaven v softwarech německých výrobců čerpadel, frekvenčních měničů a motorů, které vypočítávají spotřebu energie, případně dobu návratnosti. Vzhledem k obdobným klimatickým podmínkám i způsobu výpočtu jmenovitého průtoku čerpadel, lze tyto výsledky aplikovat i na otopné soustavy v České republice s prakticky stejnými ekonomickými důsledky.

Literatura

[1] GONTERMANN, Daniel, OESTERLE, Manfred: The Triumpf of Asynchronous Motors. And Their Decline? Časopis DP, Ingenieur Verlag Nagel, 2012, č. 1.
[2] BROSCH, Peter F.: Der Synchronreluktanzmotor startet ins Rennen. Konstruktion, Springer-VDI-Verlag, 2012, č. 9, s. 59–62.
[3] firemní materiály KSB, ABB, Wilo.