Süper yüksek verimli motorlar, aynı mekanik işi daha az kayıpla üreten bir iç tasarımın sonucudur. Bu verim, tek bir parçadan değil sargı, nüve ve rotorun birlikte optimize edilmesinden gelir. IE4 seviyesine üç farklı yapıyla ulaşılır ve her birinin işletmeye yansıyan kendine özgü artıları vardır.
Verimi belirleyen beş kayıp
Bir motorun verimi, girdiği elektrik gücünün ne kadarını mile aktardığıyla ölçülür ve geri kalan kısım ısıya dönüşür. Kayıplar beş grupta toplanır: stator bakır kaybı (sargı direncinden), rotor kaybı (asenkron motorda kaymadan), demir kaybı (nüvedeki manyetik çevrimden), mekanik kayıp (yatak sürtünmesi ve vantilasyon) ve yük altında artan kaçak kayıplar. Süper verimli tasarım, bu beş kalemin her birini ayrı ayrı aşağı çeker. En büyük kazanç genellikle rotor ve stator kayıplarında elde edilir, çünkü yükle birlikte en çok bu iki kalem büyür. IE4 yapısı, bu iki kalemi farklı yollardan azaltır.
Optimize edilmiş asenkron yapı
İlk yol, klasik sincap kafesli asenkron motoru sınırına kadar iyileştirmektir. Sargıda bakır kesiti büyütülür ve böylece direnç ile bakır kaybı düşer. Nüvede daha ince ve düşük kayıplı silisli saç kullanılır, demir kaybı azalır. Rotor çubukları ve hava aralığı yeniden tasarlanarak kaçak kayıplar bastırılır. Bu yapının en büyük avantajı, doğrudan şebekeden kalkması ve mevcut tesise sorunsuz oturmasıdır.
Ancak asenkron rotorda kayma kaynaklı kayıp tümüyle yok edilemediğinden, optimize asenkron tasarımın IE4 sınırına ulaşması özellikle küçük gövdelerde zorlaşır ve malzeme maliyeti hızla artar.
Senkron relüktans rotor
İkinci yol, rotor kaybını baştan ortadan kaldırmaktır. Senkron relüktans motorda (SynRM) rotorda ne sargı ne mıknatıs bulunur; rotor, manyetik akının kolay ve zor geçtiği yönler arasındaki relüktans farkıyla döner. Rotorda akım akmadığından rotor kaybı neredeyse sıfırdır ve rotor soğuk çalışır. Bu, aynı gövdede daha yüksek verim ve daha düşük yatak sıcaklığı demektir. SynRM'nin bilinen bir dezavantajı, güç katsayısının asenkron motora göre düşük kalmasıdır. Bu yüzden bir frekans invertörüyle sürülür ve şebekeye doğrudan bağlanmaz.
Sürücünün halihazırda bulunduğu değişken debili uygulamalarda SynRM, en dengeli süper verimli çözümlerden biridir.
Kalıcı mıknatıslı rotor
Üçüncü yol, rotora kalıcı mıknatıs yerleştirmektir. Kalıcı mıknatıslı senkron motor (PMSM), mıknatısın ürettiği güçlü alan sayesinde en yüksek verimi ve en yüksek güç yoğunluğunu verir; aynı güç daha küçük ve hafif bir gövdeye sığar. Bunun karşılığında iki nokta dikkat gerektirir. Birincisi, mıknatıslar yüksek sıcaklıkta manyetik gücünü kalıcı olarak yitirebilir, bu yüzden termal tasarım ve sıcaklık koruması kritiktir. İkincisi, PMSM genellikle doğrudan şebekede kararlı kalkamaz ve uygun bir frekans invertörü gerektirir.
En yüksek verim önceliğinde ve kompakt gövde gerektiğinde PMSM öne çıkar. Maliyeti de en yüksek olan yapı budur.
Aktif malzeme ve termal tasarım
Hangi yapı seçilirse seçilsin, süper verimin ortak bedeli daha fazla aktif malzeme ve daha özenli termal tasarımdır. Daha çok bakır ve daha iyi saç kaybı düşürür ama gövdeyi ağırlaştırır ve maliyeti yükseltir. Kayıplar azaldığı için motor daha az ısınır; yine de kalan ısının atılması için soğutma kanalları ve fan tasarımı verime göre yeniden boyutlandırılır. İyi bir termal tasarım, düşük kaybın sağladığı serin çalışmayı yatak ve yalıtım ömrüne de yansıtır. Bu yüzden süper verimli bir motorda yapı ile soğutma birlikte düşünülür.
Güç katsayısının rolü
Üç yapı yalnızca verimde değil, güç katsayısında da ayrışır ve bu fark işletmenin çektiği görünür gücü etkiler. Optimize asenkron motor, doğrudan şebekede makul bir güç katsayısıyla çalışır. Senkron relüktans motorun güç katsayısı ise düşüktür; aynı aktif güç için daha yüksek görünür güç ister, bu yüzden sürücüsüz kullanılmaz. Kalıcı mıknatıslı motor, mıknatıs alanı sayesinde yüksek bir güç katsayısına ulaşır. Sürücüyle çalışan yapılarda şebeke tarafındaki güç katsayısını sürücünün giriş katı belirlediğinden, motorun kendi güç katsayısı doğrudan şebekeye yansımaz.
Yine de bu fark, motor ile sürücünün eşleştirilmesinde ve kablo ile koruma boyutlandırmasında dikkate alınır.
Verimin yük ile değişimi
Etiketteki IE4 değeri, motorun anma yükündeki verimidir; sahadaki verim ise gerçek yüke göre değişir. Bir asenkron motor en yüksek verimini genellikle anma gücünün %75'i dolayında verir. Bu noktanın altına inildikçe, sabit kalan demir ve mekanik kayıplar daha küçük bir çıkış gücüne bölündüğü için verim düşmeye başlar. Yükün %50'sinin altında bu düşüş belirginleşir, %25 dolayında ise motor sınıfının çok altında bir verimle çalışır. Bunun pratik sonucu, gereğinden büyük seçilen bir IE4 motorun kâğıttaki üstünlüğünü sahada yitirmesidir: yarı yükte çalışan bir IE4, bir IE2 motorun verimine kadar gerileyebilir.
Senkron yapıların, özellikle kalıcı mıknatıslı motorların verim eğrisi kısmi yükte asenkron motora göre daha düz kalır, çünkü mıknatıs alanı sabit olduğundan hafif yükte de verim korunur. Bu yüzden yük profili sık değişen ya da uzun süre düşük yükte çalışan bir uygulamada hem doğru güçte seçim hem de yapının kısmi yük davranışı, anma verimi kadar önemlidir.
Yapı seçiminin işletmeye etkisi
Üç yapının seçimi, uygulamanın çalışma biçimine bağlıdır. Doğrudan şebekede, sabit hızda çalışacak bir tahrikte optimize edilmiş asenkron IE4 en pratik çözümdür. Sürücüyle çalışan, değişken debili bir uygulamada SynRM düşük rotor kaybı ve serin çalışmayla öne çıkar. Kompakt gövde ve en yüksek verim gerektiğinde ise PMSM tercih edilir. Bu karar yalnızca verimi değil, kurulum maliyetini, sürücü ihtiyacını ve bakım yaklaşımını da belirler.
Motorun gücü her yapıda doğru seçilmelidir. Güç ihtiyacı IE4 elektrik motoru ile enerji tasarrufu yaklaşımıyla belirlendiğinde, yapı tercihi de gerçek yük profiline oturur.
Süper yüksek verim, rotor ve stator kayıplarını farklı yollardan azaltan bir iç tasarımın adıdır. Optimize asenkron, senkron relüktans ve kalıcı mıknatıslı yapılar arasındaki seçim, motorun nerede ve nasıl çalışacağına göre yapıldığında hem verim hem işletme kolaylığı birlikte elde edilir.
