Falownik, silnik – dwa bratanki

Silnik elektryczny to jedno z najstarszych i do dziś najczęściej stosowanych urządzeń zasilanych energią elektryczną. „Ojców” miał wielu, pracujących często niezależnie od siebie, a nazwiska pojawiające się w tle mówią same za siebie: Allessandro Volta, Marie-André Ampère, Michael Faraday czy Thomas Davenport.

Młodszy brat silnika – falownik – choć powstał znacznie później, dziś stanowi z silnikiem nierozłączny duet. Ta doborowa para to jeden ze sztandarowych produktów firmy ABB, która ma w swojej ofercie systemy napędowe wszystkich mocy i typów, przeznaczone dla każdej, nawet najbardziej wymagającej aplikacji.

XIX-wieczne początki

Na początku honor oddać trzeba Włochowi Allessandrowi Volcie, który w roku 1800 opracował metodę wytwarzania ciągłego zasilania elektrycznego, w przeciwieństwie do iskry lub elektryczności statycznej, potocznie zwanej baterią. Dwadzieścia lat później Marie-André Ampère z Francji wynalazł cylindryczną cewkę, czyli elektromagnes. Zaledwie kilka miesięcy później (rok 1821) Brytyjczyk Michael Faraday zbudował model, w którym pionowo zawieszony drut porusza się po orbicie kołowej wokół elektromagnesu. Od tego momentu poskładanie powyższych elementów układanki i opracowanie silnika elektrycznego było kwestią czasu i przyznać trzeba, że wielu konstruktorów odniosło na tym polu sukces.

Pierwszym z „ojców” był István Jedlik, który w 1828 roku skonstruował maszynę obrotową z elektromagnesów i komutatora. I do dzisiaj wielu Węgrów uznaje swojego rodaka za twórcę silnika elektrycznego. Jednak ten wynalazek nie znalazł zastosowania. Kolejne lata przynosiły coraz ciekawsze wieści w kwestii wirujących maszyn elektrycznych, jednak dopiero w 1837 roku Amerykanin Thomas Davenport dostał pierwszy amerykański patent na silnik elektryczny. Jego urządzenie składa się z czterech obracających się, przełączanych przez komutator elektromagnesów oraz ze stałych magnesów pierścieniowych. Silnik ma sześć cali średnicy, uzyskuje ok. 1000 obrotów na minutę i moc 4,5 W.

Co ciekawe, w latach 1837-1866 tylko w Anglii przyznano niemal 100 patentów wynalazcom kolejnych wersji silnika elektrycznego, a Davenport ma jedynie zaszczyt bycia pierwszym z tysięcy inżynierów, którzy otrzymali patent w tym zakresie. Zresztą życie dość szybko zweryfikowało projekt Amerykanina, którego konstrukcja – jak się okazało – nie miała znaczącego wpływu na dalszy rozwój silników elektrycznych.

Siliniki elektryczne - historia

Silniki elektryczne dzisiaj

Dzisiaj silnik elektryczny jest najpowszechniej stosowanym urządzeniem elektrycznym w przemyśle. Jego konstrukcja niewiele się zmieniła w minionym stuleciu i wciąż pozostaje jedynym urządzeniem zamieniającym energię elektryczną na mechaniczną. Z kolei energię mechaniczną na elektryczną przekształcają generatory, których konstrukcja jest niemal identyczna jak konstrukcja silników – ta sama maszyna elektryczna może pracować jako silnik lub jako generator. Waga silników dla współczesnego przemysłu jest nie do przecenienia, a najlepszym tego dowodem jest fakt, że trzecia część całej wyprodukowanej na świecie energii elektrycznej jest konsumowana właśnie przez silniki.

Przy całej swojej prostocie i wielu zaletach, silnik ma również pewne ograniczenie, które w wielu przypadkach staje się dla użytkownika obciążeniem. Otóż urządzenie to ma tylko dwa stany pracy – niezasilone nie pracuje, z kolei zasilone pracuje zawsze z identyczną prędkością znamionową, bez możliwości regulacji prędkości obrotowej. Natomiast jeśli pojawia się konieczność wprowadzenia regulacji, trzeba stosować napędy zwane falownikami.

Falownik – kontrolujmy prędkość obrotową silnika!

Pierwsze tego typu rozwiązania pojawiły się dopiero w latach 60. XX wieku. Firma ASEA, której ABB jest spadkobiercą i kontynuatorem, produkowała napędy od roku 1969. Tak naprawdę jednak przełomowe stały się lata 80. Wraz z nadejściem ery cyfrowej udało się bowiem wyeliminować sterowanie analogowe, które w przypadku tak skomplikowanych urządzeń wymagało od obsługi zaawansowanej wiedzy technicznej. Firma – już jako ABB – udowodniła, że falownik może stać się produktem standardowym, a jego uruchomienie i eksploatacja wymaga jedynie obsługi prostego programatora. Dokładając do tego bogatą ofertę silników elektrycznych, ABB szybko stała się liderem tego segmentu rynku, oferując całe systemy napędowe ogólnego zastosowania oraz napędy przemysłowe dużych mocy do wymagających i niestandardowych aplikacji.

Dzisiaj silnik w duecie z falownikiem stanowi standard. Bardzo często nie zdajemy sobie nawet sprawy z jego obecności. Systemy napędowe to bowiem nie tylko maszyny wyciągowe czy przenośniki taśmowe w kopalniach, ale także… odkurzacze z regulowaną mocą ssania czy taśma przy kasie w sklepie, na którą wykładamy zakupy. Falowniki są niezastąpione również w układach suwnicowych, gdzie trzeba precyzyjnie regulować prędkość jazdy i pozycję mostu oraz wózka.

Falownik silników elektrycznych

Wszystko większe niż potrzeba

Drugim podstawowym powodem stosowania napędów są oszczędności energii. To szczególnie ważne w aplikacjach pompowych i wentylatorowych, co wynika z mechaniki i praw fizyki. W układach takich mówimy o tzw. kwadratowej charakterystyce momentu, która powoduje, że nawet niewielkie obniżenie prędkości daje znaczące oszczędności w zużyciu energii elektrycznej.

Doskonale widać to w przypadku starych, kilkudziesięcioletnich rozwiązań przemysłowych. Wówczas powszechną praktyką było przewymiarowanie układów, w celu zapewnienia bezpieczeństwa pracy. Wszystko było większe niż potrzeba. Silnik trochę większy niż potrzeba współpracował z pompą trochę większą niż potrzeba. Układ cały czas działał z maksymalną wydajnością, a ograniczenia przepływu wody czy siłę dmuchawy regulowało się, stosując tradycyjne, mechaniczne sposoby dławienia przepływu. Dopiero zastosowanie regulacji falownikowej pozwala dostosować prędkość silnika do rzeczywistych potrzeb aplikacji i płynnie sterować prędkością obrotową w zależności od zapotrzebowania.

Z doświadczenia i analiz inżynierów serwisu ABB, którzy bardzo często uczestniczą w audytach energetycznych i analizują ekonomiczną opłacalność zainstalowania napędów, wynika, że w przypadku dużej aplikacji przemysłowej, gdy przepływ jest w niektórych okresach pracy dość mocno dławiony, zwrot z inwestycji w napęd, która do najtańszych nie należy, może nastąpić nawet w ciągu kilku tygodni.

Produkcja napędów i silników w Polsce

Jednym z zakładów, który zajmuje się produkcją falowników jest Zakład Napędów ABB w Aleksandrowie Łódzkim. Obok przekształtników dla farm wiatrowych oraz prostownikowych systemów zasilania dla transportu szynowego w Aleksandrowie Łódzkim powstają napędy średniego napięcia, pozwalające na optymalne wykorzystanie energii przez silniki elektryczne. Falowniki średniego napięcia obejmują napięcia zasilania powyżej 1000 V, co powoduje, że urządzenia te bardzo często wykorzystuje się w przemyśle, gdzie standardem są silniki na napięcie 6 kV.

– Najmniejszy produkowany w naszej fabryce falownik jest przeznaczony do silnika 250 kW, natomiast jeśli chodzi o największy napęd, to praktycznie nie ma limitu, ponieważ są to urządzenia modułowe i można je rozbudowywać o kolejne elementy, by uzyskać potrzebną moc – tłumaczy Bartłomiej Orzechowski, kierownik działu sprzedaży krajowej w Lokalnej Jednostce Biznesu Napędów ABB w Polsce. – Największy napęd, jaki wyprodukowaliśmy, miał 25 MW i trafił do elektrowni Kozienice. Steruje tam silnikami pomp, które podają wodę do kotła.

W Aleksandrowie Łódzkim powstają także napędy do silników prądu stałego i jest to jedyna fabryka tego typu urządzeń w Grupie ABB.

Fabryka w Aleksandrowie Łódzkim

Obok Zakładu Napędów w Aleksandrowie znajduje się fabryka, w której powstają silniki elektryczne. W zakładzie powstają niskonapięciowe silniki elektryczne ogólnego zastosowania o wysokiej sprawności, spełniające wymogi klasy IE2 i IE3, o wzniosach wału od 80 do 355 mm i mocach od 0,25 do 500 kW.

– W naszym zakładzie wytwarzanych jest kilka serii urządzeń, a w każdej z nich kilkadziesiąt typów, wersji i modyfikacji. Tak naprawdę poza parametrami brzegowymi trudno byłoby je wszystkie opisać – mówi Łukasz Grzybowski, kierownik działu sprzedaży krajowej silników elektrycznych ABB w Polsce. – Silniki ABB z Aleksandrowa spełniają najwyższe europejskie normy, a także normy certyfikacji ATEX, co oznacza, że mogą pracować w strefach zagrożonych wybuchem, na przykład w rafineriach, magazynach gazu, na platformach wiertniczych. (…) Fakt, że mamy w Polsce fabrykę powoduje, że serwis i wsparcie techniczne dostępne są na miejscu, a realizują je polscy inżynierowie. To ważny argument, szczególnie doceniany przez polskich producentów zaawansowanych maszyn i urządzeń, wykorzystujących w swoich konstrukcjach silniki ABB.

Znaczna część z produkowanych w aleksandrowskim zakładzie silników żeliwnych i aluminiowych eksportowana jest do niemal wszystkich zakątków świata. Fabryka w Aleksandrowie Łódzkim jest jednym z bardziej znaczących centrów produkcyjnych silników elektrycznych ABB na świecie.

Kategorie and Tagi
O autorze

Sławomir Dolecki

Jestem niezależnym dziennikarzem, reporterem i redaktorem. Specjalizuję się w tematyce związanej z energetyką, infrastrukturą krytyczną i ochroną środowiska. Z firmą ABB jestem związany od roku 1998.
Related stories
Skomentuj ten artykuł