Wist u dat 70% van het elektrische energieverbruik in de industrie naar elektrische aandrijfsystemen gaat? Een eenvoudige manier om energie te besparen is door efficiëntere motoren toe te passen. De overheid verplicht gebruikers dan ook om bij nieuwe toepassingen of retrofits energiezuinige elektromotoren in te zetten om de CO2-uitstoot gerelateerd aan dit energieverbruik te verlagen. Bovendien is het voor de eindgebruiker interessant het energieverbruik te verlagen. De totale kosten van een elektromotor bestaan namelijk voor 90 tot 97% uit energiekosten, gemeten over de gehele levensduur. Investeringen in zuinigere motoren betalen zich doorgaans binnen één tot vijf jaar terug1.
Voor industriële toepassingen zijn asynchrone inductiemotoren min of meer de standaard. Ze zijn voordelig, robuust en eenvoudig aan te sturen. Veel voorkomende toepassingen zoals het aandrijven van pompen, ventilatoren, compressoren of transportbanden kunnen worden aangedreven met deze motoren.
Minder slip, meer efficiëntie
De efficiëntie van deze elektromotoren wordt bepaald door diverse factoren zoals bijvoorbeeld de kwaliteit van het gebruikte magnetisch staal en de dikte van het magnetisch staal die de strooiverliezen bepalen; de grootte van de luchtspleet die de magnetische krachtoverbrenging beïnvloedt; de diameter van koperdraad die de weerstand van de wikkeling bepaalt; het ontwerp en de effectiviteit van de koelwaaier etc. De ontwerpkeuzes van de motor bepalen onder andere hoeveel slip er tijdens bedrijf ontstaat. Slip is het verschil in snelheid tussen de roterende kern (rotor) en het magnetisch draaiveld in de behuizing (stator), des te lager de slip, des te efficiënter de energie-overbrenging.
Technische verbeteringen van elektromotoren hebben ertoe geleid dat de slip en het energieverbruik steeds verder konden worden gereduceerd. Dit heeft uiteindelijk geleid tot asynchrone elektromotoren met de classificatie IE4 (super-premium). Echter, de ontwikkelingen van asynchrone motoren lopen op hun einde, technische verbetermogelijkheden en efficiëntieverschillen worden steeds kleiner. Bovendien is het voor hogere efficiëntie vaak noodzakelijk om meer koperwikkelingen aan te brengen. Hierdoor nemen de afmetingen van een motor toe (vooral in de lengte) wat nadelig kan zijn bij compacte machines en retrofits.
De vraag naar nog zuinigere motoren blijft echter toenemen, gedreven door de toenemende kosten van energie en de noodzaak voor fabrikanten om steeds duurzamer te produceren. Verdere verbeteringen hebben onder meer betrekking op gewichtsvermindering en experimenten met nieuwe materialen zoals kunststoffen, aluminium en nieuwe isolatoren. Het doel is om de slip naar nul te reduceren.
| Norm IEC60034-30-1:2014
Sinds 2006 worden asynchrone elektromotoren ingedeeld in vier efficiëntieklassen, van hoog naar laag: IE4 super-premium, IE3 premium, IE2 hoog en IE1 standaard. Deze verschillen in efficiëntie voor elektromotoren zijn vastgelegd in de norm IEC60034-30-1:2014.
Prijzen aardmetalen onder druk
Een van de mogelijkheden om dit te bereiken is door permanent magneet motoren toe te passen. Bij deze zogenaamde ‘permanent magneet synchrone motoren’ zijn magneten aangebracht op de rotor waardoor deze altijd (magnetisch) gedwongen wordt synchroon te draaien met het draaiveld in de stator. Bijkomende voordelen zijn een hoger koppel, lagere energie- en warmteverliezen en hoge precisie.
Aan deze motoren kleven echter ook een groot aantal nadelen. Voor de toegepaste magneten zijn schaarse aardmetalen nodig, en de vraag naar deze aardmetalen wordt steeds groter. Dit komt onder andere door de energietransitie, bijvoorbeeld voor de productie van elektrische auto’s. Als gevolg hiervan komen de prijzen van deze aardmetalen steeds verder onder druk te staan. Ook vormen de permanente magneten een belemmering bij de constructie en het onderhoud van de motoren. Metalen onderdelen en gereedschappen worden namelijk aangetrokken door de magnetische kern.
| VERSCHILLEN IE3 EN IE4
Het rendement van IE4 motoren loopt op tot boven de 96%. De rendementsverschillen tussen de IE efficiëntieklassen kunnen oplopen tot 14% in de lagere vermogens (onder de 1 kW) en tot 6% in de hogere vermogens (boven de 15 kW). Het verschil wordt dus kleiner naarmate het vermogen toeneemt.2
Doorontwikkeling synchroon reluctantiemotoren
Gelukkig staat innovatie niet stil. Een nieuwe ontwikkeling op het gebied van elektromotoren combineert de voordelen van asynchroon inductiemotoren met die van permanent magneet synchrone motoren en wint snel terrein. Het gaat hier om de zogenaamde synchroon reluctantiemotoren. Het werkingsprincipe hiervan is al wat ouder, maar is recent doorontwikkeld. Een synchroon reluctantiemotor heeft veel gelijkenissen met de asynchrone inductiemotor, echter is de rotor op een slimme manier geconstrueerd. De rotor is geconstrueerd met uitsparingen voor de magnetische veldlijnen. Deze constructie dwingt de rotor synchroon te draaien met het magnetische draaiveld in de stator.
Er ontstaat een uniek voordeel, een motor die volledig synchroon draait (dus zonder slip) maar dan zonder magnetische kern. Omdat de synchroon reluctantiemotor gelijkenissen heeft met een standaard asychrone motor kunnen deze in dezelfde bouwvormen en met dezelfde aansluitmaten worden geleverd. Vervangen of upgraden van asynchroonmotoren is hierdoor eenvoudig.
“De ontwikkelingen van asynchrone motoren lopen op hun einde, technische verbetermogelijkheden en efficiëntieverschillen worden steeds kleiner”
Hoge efficiëntie in deellast
Een tweede voordeel van synchroon reluctantiemotoren is dat ze dankzij het synchroon bedrijf ook hoge efficiëntie in deellast creëren. Dit aspect wordt nog wel eens vergeten terwijl dit in de praktijk vaak voorkomt, bijvoorbeeld omdat motoren onnodig groot gedimensioneerd zijn of omdat de installatie niet permanent op volle capaciteit hoeft te draaien. Door de effectieve energie-overbrenging in het gehele toerenbereik heeft de synchroon reluctantiemotor lagere warmteverliezen waardoor minder koeling nodig is. Al deze ontwikkelingen maken de motor zeer efficiënt. Daarom is de synchroon reluctantiemotor ook met het IE4 en in sommige gevallen zelfs het IE5 efficiëntielabel bestempeld.
Tot slot zijn synchroon reluctantiemotoren geschikt voor dynamische toepassingen. De massa-traagheid van de rotor is namelijk laag en dankzij het synchroon draaien is nauwkeuriger positioneren mogelijk.
De synchroon reluctantiemotor is dus veelbelovend voor veel toepassingen, het combineert de voordelen van asynchrone inductie- en permanent magneet synchrone motoren. De motoren zijn zeer efficiënt en voor de constructie zijn geen kostbare aardmetalen nodig. Daardoor heeft deze motor slechts een geringe meerprijs ten opzichte van een asynchrone motor.
Afstemming tussen frequentieregelaar en motor
Belangrijk is wel dat voor een goede werking van een reluctantiemotor een frequentieregelaar vereist is. Het draaiveld moet namelijk vanaf de start gelijk worden gesteld aan de snelheid van de rotor. Voor een optimale aansturing is afstemming tussen frequentieregelaar en motor nodig. De frequentieregelaar moet daarvoor zijn uitgerust met software om synchroon reluctantiemotoren aan te sturen. Siemens heeft een uitgebreid aanbod aan frequentieregelaars en motoren, waaronder ook synchroon reluctantiemotoren. Wanneer een gebruiker kiest voor een SINAMICS frequentieregelaar in combinatie met een SIMOTICS synchroon reluctantiemotor, kan de motor eenvoudig worden ingelezen in de regelaar middels een motorcode. De gebruiker profiteert van snellere en eenvoudigere inbedrijfstelling. De regelaar herkent de motor en weet precies hoe deze efficiënt en soepel kan worden aangestuurd. Hierdoor kunnen optimale prestaties voor de gebruiker eenvoudig worden gerealiseerd.
Configuratie compleet aandrijfsysteem
Alle synchroon reluctantiemotoren van Siemens hebben een efficiëntieklasse van minimaal IE4. Ze zijn leverbaar in een vermogensbereik van 2,2 kW t/m 90 kW en in een 1500 of 3000 min-1 uitvoering. Een groot aantal motoren is zelfs leverbaar met het hoogste efficiëntielabel (IE5). In de vermogens van 0,55 kW tot 4 kW zijn de synchroon reluctantiemotoren daarnaast met aangebouwde reductor en decentrale frequentieregelaar leverbaar, ideaal voor het aandrijven van transportbanden. Bij hogere vermogens kunnen de motoren aan een Siemens reductor worden gekoppeld door middel van een adapter. Hierdoor kan altijd een compleet aandrijfsysteem voor de gebruiker worden geconfigureerd. Wilt u meer weten? Neem dan contact op met Siemens.
Auteurs: Huibert Winckers en Peter van der Wal, Siemens Nederland
| Bronnen
¹ Rijksdienst voor Ondernemend Nederland (30 maart, 2022): RVO
² Europese Commissie, Verordening (EU) 2019/1781, EUR-Lex (25 oktober, 2019):
Dit artikel is eerder verschenen in de speciale editie De Elektromotor – Technologie & Toepassingen