SynRM vs PMSM: silniki synchroniczne reluktancyjne i z magnesami trwałymi

Niemal cały zysk sprawności silnika powyżej IE4 pochodzi z dwóch technologii: silnika synchronicznego reluktancyjnego (SynRM) i synchronicznego silnika z magnesami trwałymi (PMSM). Oba pozostawiają za sobą klasyczny asynchroniczny silnik klatkowy, oba osiągają IE5, a w niektórych przypadkach IE6, i oba mają jedną wspólną cechę, którą często się pomija: nie pracują z sieci, lecz wyłącznie z falownikiem. Ten artykuł wyjaśnia, czym się różnią, dlaczego ta różnica ma znaczenie i kiedy wybrać którą technologię.

Asynchroniczny vs synchroniczny: podstawy

Klasyczny silnik asynchroniczny (silnik klatkowy) zawsze obraca się nieco wolniej niż wirujące pole stojana: ta różnica, poślizg, jest niezbędna, aby wyindukować w wirniku prąd generujący moment obrotowy. Ten indukowany prąd wirnika powoduje straty, i to właśnie te straty stanowią górną granicę sprawności, jaką może osiągnąć silnik asynchroniczny. W praktyce IE4 jest mniej więcej tym pułapem.

Silnik synchroniczny obraca się dokładnie synchronicznie z wirującym polem, bez poślizgu. W wirniku nie indukuje się prąd, więc związane z tym straty znikają. Właśnie dlatego zarówno SynRM, jak i PMSM, obie zasady synchroniczne, mogą pracować powyżej IE4. Różnica między nimi tkwi w tym, jak wirnik jest ciągnięty synchronicznie.

Czym jest SynRM (reluktancja synchroniczna)?

Silnik synchroniczny reluktancyjny ma wirnik bez uzwojeń i bez magnesów: jedynie sprytnie ukształtowany pakiet blach stalowych z wycięciami (bariery strumienia). Wirnik podąża za wirującym polem, ponieważ strumień magnetyczny zawsze szuka drogi najmniejszego oporu (reluktancji). Wirujące pole niejako ciągnie wirnik wzdłuż osi najmniejszej reluktancji.

Wielka zaleta: brak magnesów i brak prądu wirnika oznacza chłodny, wytrzymały wirnik bez zależności od metali ziem rzadkich. Wirnik mieści się ponadto w tej samej obudowie co standardowy silnik asynchroniczny, co upraszcza wymianę jeden do jednego. ABB oferuje tę technologię pod nazwą SynRM, w połączeniu z odpowiednim falownikiem.

Wada: SynRM ma nieco niższy współczynnik mocy i gęstość mocy niż PMSM, a najlepszą sprawność zapewnia tylko w połączeniu z dobrze dostrojonym falownikiem. Dla większości zastosowań pomp, wentylatorów i sprężarek jest to z nadwyżką wystarczające.

Czym jest PMSM (magnesy trwałe)?

Synchroniczny silnik z magnesami trwałymi ma magnesy w wirniku lub na nim (zwykle neodym-żelazo-bor). Te magnesy zapewniają stałe pole wirnika, które obraca się synchronicznie z wirującym polem stojana. Ponieważ pole wirnika jest dostarczane przez magnesy i nie musi być indukowane, PMSM jest bardzo sprawny, kompaktowy i o wysokim momencie obrotowym.

Silniki PMSM osiągają zazwyczaj najwyższą gęstość mocy i najlepszy współczynnik mocy ze wszystkich typów silników, co czyni je pierwszym wyborem tam, gdzie przestrzeń lub masa są krytyczne, lub gdzie liczy się bardzo wysoka sprawność przy obciążeniu częściowym. Są też powszechne w zastosowaniach serwo i trakcji.

Wady: magnesy sprawiają, że silnik jest bardziej wrażliwy na wysokie temperatury (ryzyko rozmagnesowania) i zależny od ceny oraz dostępności metali ziem rzadkich. Ponadto przy zaniku zasilania pracujący PMSM może oddawać napięcie zwrotne, co wymaga uwagi na etapie projektowania.

SynRM vs PMSM: porównanie

W skrócie: wybierz SynRM dla wytrzymałości, chłodnego wirnika, braku zależności od magnesów i prostej wymiany jeden do jednego w przemysłowych zastosowaniach pomp i wentylatorów. Wybierz PMSM tam, gdzie decydująca jest maksymalna gęstość mocy, najwyższa sprawność lub najmniejsza objętość zabudowy, i gdzie temperatura jest do opanowania.

Obie technologie osiągają IE5. Przy zoptymalizowanej konstrukcji PMSM może wzrosnąć do IE6. SynRM oferuje w praktyce najniższy całkowity koszt posiadania w standardowych zastosowaniach przemysłowych, podczas gdy PMSM wyróżnia się w zastosowaniach kompaktowych, wysoce dynamicznych lub krytycznych pod względem masy.

Jak osiągają IE5 i IE6

Klasy sprawności IE1 do IE6 są zdefiniowane w normie IEC 60034-30-1 (IE1 do IE4) oraz późniejszej IEC TS 60034-30-2 (IE5 i wyższe). Każdy stopień klasy oznacza około 20% mniej strat niż poprzedni. Tam, gdzie dobry silnik asynchroniczny zatrzymuje się na IE4, SynRM i PMSM osiągają IE5, a z PMSM IE6 jest osiągalne w określonych wersjach.

Aby przełożyć sprawność na euro: przy pracy ciągłej każdy stopień klasy szybko oznacza setki euro rocznie na silnik. Oblicz swoją sytuację za pomocą naszego kalkulatora oszczędności energii, który przelicza różnicę między klasami IE na kWh, euro i czas zwrotu.

Dlaczego falownik jest wymagany

To punkt, który w praktyce najczęściej powoduje niespodzianki: ani SynRM, ani PMSM nie mogą uruchomić się bezpośrednio z sieci. Silnik asynchroniczny uruchamia się sam dzięki poślizgowi; silnik synchroniczny nie, ponieważ wirnik nie jest w stanie nadążyć z bezruchu za polem stojana wirującym nagle z pełną prędkością. Oba typy zawsze potrzebują więc falownika, który stopniowo zwiększa częstotliwość od zera.

Nie jest to wada, lecz często zaleta: falownik zapewnia bezstopniową regulację prędkości, łagodny rozruch oraz, w zastosowaniach pomp i wentylatorów o zmiennym obciążeniu, dodatkowe oszczędności energii ponad zysk samego silnika. Oznacza to jednak, że musisz specyfikować silnik i falownik jako jeden system. Więcej o wyborze i aspektach EMC przeczytasz w naszym artykule o falownikach.

Kiedy wybrać który?

Do standardowej pompy, wentylatora lub sprężarki w pracy ciągłej, gdzie chcesz zaoszczędzić energię, pozostając blisko wymiany jeden do jednego: SynRM. Wytrzymały, chłodny, bez magnesów i dostępny w ABB w znanych obudowach.

Do zastosowań kompaktowych, wysokiej dynamiki, serwo, trakcji lub tam, gdzie liczy się każdy procent sprawności przy obciążeniu częściowym: PMSM. Tam, gdzie obecnie eksploatujesz silnik IE3, a instalacja ma już lub otrzyma falownik, przejście na SynRM lub PMSM IE5 prawie zawsze warto przeliczyć.

Niezdecydowany między zachowaniem obecnego silnika asynchronicznego a zmianą? Nasza baza wiedzy omawia ten wybór osobno w naprawa czy wymiana oraz w klasy sprawności IE.

Praktyczne zalecenia

Zawsze specyfikuj silnik i falownik razem jako system, nie osobno. Przy zapytaniu IE5/IE6 poproś o sprawność w rzeczywistym punkcie pracy, nie tylko przy pełnym obciążeniu; to właśnie przy obciążeniu częściowym technologie się różnią. W przypadku PMSM uwzględnij maksymalną temperaturę uzwojenia i zachowanie zwrotu energii przy zaniku sieci. A przed wymianą zleć obliczenie czasu zwrotu na podstawie godzin pracy i ceny energii.

Van Bodegraven dostarcza zarówno rozwiązania ABB SynRM, jak i PMSM, z odpowiednimi falownikami ABB, i doradza w zakresie właściwego wyboru dla Twojego zastosowania. Dostarczamy z magazynu UE ABB w krótkich terminach.

Z danych wymienionych w tym artykule nie można wywodzić żadnych praw. Skontaktuj się z nami w celu uzyskania konkretnej oferty i aktualnego statusu dostawy.