Opierając się na szacunkach dotyczących zużycia energii elektrycznej publikowanych w ostatnich 50 latach można stwierdzić, że połowa produkowanej w świecie energii elektrycznej jest przetwarzana przez silniki elektryczne na energię mechaniczną. W niektórych źródłach podaje się, że liczba ta wynosi 60%.
Podział zastosowań napędów elektrycznych przedstawiony jest różnie, zależnie od zróżnicowań gospodarek poszczególnych krajów. Na przykład w USA podział ten - jest szacowany następująco:
- pompy 31%,
- wentylatory i dmuchawy 16%,
- kompresory 18%,
- narzędzia i obrabiarki 9%,
- różne silniki AC 18%,
- silniki DC 8%.
Istotne jest wydzielenie napędów regulowanych, tj. układów o nastawianej prędkości kątowej lub nastawionym położeniu. Około 1990 r. udział napędów regulowanych był szacowany na ok. 50% ogólnej liczby zainstalowanych silników. Według innych szacunków, w 1993 roku w skali światowej napędy regulowane stanowiły 44% ogólnej liczby silników, w tym nieco mniej niż połowa to napędy z silnikiem prądu stałego. Według innego szacunku, podział napędów w skali światowej ze względu na typ silnika w 1993 roku przedstawiał się następująco:
- napędy z silnikiem prądu stałego 20%,
- napędy pozycyjne DC i AC 5%,
- proste regulowane napędy z silnikiem klatkowym 19%,
- proste napędy nieregulowane z indukcyjnym silnikiem klatkowym 54%,
- inne 2%.
Ze względu na wartość napędu, podział ten różni się zasadniczo od podziału ilościowego:
- napędy z silnikiem prądu stałego 27%,
- napędy pozycyjne AC i DC 11%,
- regulowane proste napędy z silnikiem klatkowym 50%,
- proste nieregulowane napędy z indukcyjnym silnikiem klatkowym 6%,
- inne 6%.
Największe rynkowe znaczenie mogą mieć proste regulowane napędy z silnikiem klatkowym, wobec 50-procentowego wartościowego udziału w 1993 roku.
Wniosek ten można uznać za prawdopodobny, ponieważ zamiana nieregulowanych napędów pomp i wentylatorów na proste falownikowe napędy z silnikiem klatkowym powoduje znaczne oszczędności energetyczne pomimo, że proste regulowane napędy z silnikiem klatkowym są bardzo zróżnicowane, co pociąga za sobą zwiększenie stopnia skomplikowania układu i tym samym kosztów. Obecnie coraz więcej falowników wyposaża się w wektorowe układy sterowania napędem i bardziej rozbudowane oprogramowanie użytkownika. Proste napędy falownikowe mają podstawowa wadę, jaką jest pobór prądów wyższych harmonicznych o dość dużej wartości, np. 40-50%. Zlikwidowanie tej wady jest dość kosztowne.
Ogólny przewidywany wzrost na rynku napędów w latach 1993-2000 przedstawia się następująco: ze względu na wartość 75%, liczbę silników 65%, moc zainstalowaną 55%.
Widoczne są wyraźnie dwa aktywne sektory rynku napędów w Polsce:
- regulowane napędy wentylatorów i pomp,
- małe napędy DC i AC w sprzęcie domowym, samochodach, narzędziach.
Pierwszy z tych sektorów dotyczy dość dużej liczby napędów znacznej mocy: od 1kW do 2MW.
W polskich elektrowniach i ciepłowniach wymienia się napędy o stałej prędkości obrotowej na falownikowe z silnikiem klatkowym. Zamiana taka powoduje dwie duże korzyści, tj. poprawia się spalanie paliwa w ciepłowniach i zmniejsza zużycie energii. Należy podkreślić, że liczba napędów pompowych w Polsce szybko zwiększa się, ponieważ buduje się dużo oczyszczalni ścieków, stacji uzdatniania wody i sieci wodociągowych.
Występuje dość ożywiony ruch inwestycyjny w budowie pawilonów magazynowych, sklepowych i hal produkcyjnych, gdzie instaluje się liczne układy wentylacyjne i klimatyzacyjne o regulowanej prędkości obrotowej. Stosowanie falownikowego napędu z silnikiem klatkowym zamiast bezpośrednio silnika indukcyjnego jest inwestycją opłacalną. Okres zwrotu nakładów wynosi 3-4 lata, a nawet tylko rok.
Współczesna oferta układów napędowych jest bardzo zróżnicowana ze względu na rozwiązania i możliwości elastycznego wyboru układu dla konkretnych wymagań technologicznych. W ostatnich kilku latach radykalnie zmniejszyły się ograniczenia w obszarze układów zasilających. Jest to skutek rozwoju półprzewodników, a szczególnie modułów z tranzystorami IGBT, wzrostu parametrów prądowo-napięciowych, tyrystorów GTO. Upowszechnienie modułów IGBT zawdzięcza się prostocie napięciowego sterowania oraz przede wszystkim ich zdolności do aktywnego wyłączania zwarć.
Zasilaczom silników można obecnie postawić wiele nowych wymagań, które dadzą się zrealizować w ramach rozsądnych i ekonomicznie uzasadnionych kosztów. Wymaganiami tymi są m. in.:
- dwukierunkowy przepływ mocy
- sinusoidalny prąd wejściowy i wyjściowy,
- bliski jedności wejściowy współczynnik mocy,
- niemal dowolnie duża moc wejściowa,
- duży zakres częstotliwości wyjściowej.
Występujące ograniczenia dotyczą głównie napięcia wyjściowego ze względu na parametry napięciowe półprzewodników. Tylko diody i tyrystory osiągają napięcia 5kV. Łączenie szeregowe półprzewodników zwiększa koszty i bardzo komplikuje konstrukcję zasilacza.
Dominującym typem zasilacza jest tranzystorowy komutator z tranzystorami IGBT i o zasilaniu napięciowym. Moduły IGBT w połączeniu z elektrolitycznym kondensatorem umożliwiają wykonanie falownika o wyjściu napięciowym i prądowym, przerywacza, prostownika o sinusoidalnym prądzie wejściowym, wzbudzania oscylacji, realizacji różnych zasad modulacji. W układach napędowych wykorzystuje się głównie falowniki napięcia i przerywacze, przy czym falowniki napięcia pracują z szerokościową modulacją impulsową o wyjściu prądowym i napięciowym. Mogą one transportować energię w obu kierunkach.
Falownik napięcia z IGBT jest obecnie najtańszym zasilaczem napędowym i od niego rozpoczęło się upowszechnienie napędów falownikowych z silnikiem klatkowym. Takie same możliwości kształtowania charakterystyk zasilaczy mają układy z tyrystorami GTO stosowane w przypadkach większej mocy i wyższych napięć. Niedogodność stosowania GTO polega na tym, że są to elementy dyskretne i wymagają drogich sterowników dla bramek.
Ochrona zwarciowa GTO również wymaga odrębnych układów. Te właściwości powodują, że wobec poprawy w górę parametrów IGBT wypierają one tyrystory GTO. Obecnie do współpracy z siecią do 440 V można zbudować falownik z IGBT o mocy 300 kW, a przez złożenie dwóch i więcej falowników zwiększyć ogólną moc wyjściową.
Schemat napędu z silnikiem asynchronicznym klatkowym.
Rozwój energoelektronicznych układów napędowych jest zależny głównie od postępu w budowie przekształtników zasilających (co jest przede wszystkim uwarunkowane wprowadzaniem nowych półprzewodnikowych przyrządów mocy), od ulepszeń konstrukcji silników elektrycznych oraz od nowych rozwiązań systemów sterowania i regulacji.
Współczesne regulowane układy napędowe sterowane numerycznie - niezawodne i coraz tańsze - mają wiele zalet, niemożliwych do uzyskania jeszcze kilka lat temu (jak np. możliwość połączenia z innymi systemami sterowania opierającymi się na zastosowaniu komputera i wykorzystania złożonej aparatury diagnostycznej). Oszczędność energii to tylko jedna z zalet takich układów napędowych, inne to np. lepsza kontrola procesu produkcyjnego, co pozwala zwiększyć jego wydajność.
Duże dopuszczalne częstości przełączeń współcześnie produkowanych tranzystorów mocy umożliwiają uzyskanie dobrych właściwości dynamicznych układów napędowych z silnikami prądu przemiennego Serwonapędy z falownikami tranzystorowymi i z zastosowaną modulacją szerokości impulsów (PWN) i silnikami asynchronicznymi lub synchronicznymi (o stałych magnesach) mają już obecnie właściwości równorzędne, a nawet lepsze niż napędy prądu stałego.
