Energooszczędna technika napędowa
Damian Żabicki drukuj
Wbrew pozorom oszczędności energii elektrycznej pozyskane dzięki odpowiednim napędom elektrycznym mogą być znaczne. Szczególnie dużego znaczenia nabierają w przypadku dużych fabryk, które wykorzystują do pracy wiele napędów.
Silniki energooszczędne zapewniają nie tylko wyższą sprawność energetyczną maszyny ale i poprawę poziomu niezawodności. Użytkownik korzysta na niższych kosztach eksploatacji, tym samym zakup silnika po wyższej cenie szybko się zwraca. Silniki energooszczędne w porównaniu z silnikami standardowymi potrzebują mniej energii elektrycznej oraz można je trwale obciążać mocą większą od znamionowej. Dzięki odpowiednim rozwiązaniom energooszczędnym napęd ma lepsze właściwości w zakresie tolerancji na zmiany napięcia i harmoniczne oraz dłuższe okresy gwarancji.
Nowoczesne napędy wytwarzają mniej hałasu, dzięki czemu nie ma potrzeby stosowania dodatkowych rozwiązań pozwalających na wyciszenie maszyny.
Silniki energooszczędne generują mniej drgań a przyrosty temperatury są mniejsze. Przy produkcji nowoczesnych napędów uwzględnia się materiały czynne, takie jak miedź czy też stal elektrotechniczną.
W swojej ofercie silniki elektryczne trójfazowe spełniające wymagania klasy sprawności IE1 i IE2 ma firma Kacperek. Silniki do wielkości mechanicznej 160 mają obudowy aluminiowe, natomiast modele od wielkości mechanicznej 180 wykonuje się w obudowach żeliwnych. Konstrukcja korpusów umożliwia konfigurację silnika elektrycznego ze skrzynką zaciskową umieszczoną na górze, po lewej lub po prawej stronie. Silniki elektryczne w wykonaniu standardowym wykorzystują chłodzenie w postaci wentylatora osadzonego na wale i osłoniętego pokrywą perforowaną, przez co prędkość obrotowa wału wpływa na efektywność chłodzenia. Silniki przystosowane do pracy z falownikami, gdzie prędkości obrotowe spadają poniżej 700 obr/min, muszą mieć niezależne układy chłodzenia tak, aby prędkość obrotowa nie wpływała na skuteczność chłodzenia.
Z oferty firmy Siemens wybrać można między innymi silniki AC średniego napięcia H-Compact PLUS. Są to napędy o mocy do około 5 MW przy zakresie napięć od 3,4 kV do 11 kV. Warto tutaj wspomnieć o kompaktowej konstrukcji z modułowym systemem chłodzenia. Dostępne są modele z modułami chłodzenia powietrze-woda, powietrze-powietrze oraz z otwartym układem chłodzenia powietrznego. Izolacja uzwojeń stojana jest wykonywana w systemie Micalastic VPI (impregnacja próżniowo-ciśnieniowa).
Klasyfikacja silników energooszczędnych
Na terenie Unii Europejskiej wprowadzono usankcjonowane prawnie wymogi dotyczące efektywności energetycznej 3-fazowych silników asynchronicznych 2-, 4- i 6-biegunowych. Zarówno klasyfikację, jak i oznakowanie IE wprowadza norma IEC 60034-30 „Rotating electrical machines – Part 30: Efficiency classes of single-speed, three-phase, cage-induction motors (IE-code)” z 2008 r. Ten sposób klasyfikacji obowiązuje w przypadku silników 2-, 4- i 6-biegunowych o mocach od 0,75 kW do 375 kW i napięciu znamionowym do 1000 V.
Wyróżnia się zatem trzy poziomy sprawności silników. Silniki standardowe (standard) określane są jako IE1, natomiast napędy elektryczne o podwyższonej sprawności (high efficiency) to IE2. Najwyższym poziomem sprawności (premium) określa się silniki oznaczane jako IE3. Energooszczędne silniki elektryczne 230 V/400 V produkuje np. firma KPH Przymierze. Spektrum ich zastosowania jest bardzo szerokie i obejmuje urządzenia pracujące w betoniarkach, pompach, wentylatorach itp. Wychodząc naprzeciw oczekiwaniom klientów firma, podobnie jak wielu innych producentów w dzisiejszych czasach, może wyprodukować silnik o parametrach ściśle dostosowanych do potrzeb użytkownika.
Asynchroniczne silniki elektryczne trójfazowe serii Exd z oferty firmy HEW dostępne są w wersjach specjalnych. W zależności od potrzeb można zastosować silniki wielobiegowe z hamulcami bezpieczeństwa, z chłodzeniem obcym (zewnętrznym) – wentylatorem oraz silniki z enkoderami, które są przeznaczone do pracy z falownikami. Standardowe wykonanie silników w ochronie przeciwwybuchowej Exd charakteryzuje napięcie zasilania 230 V/400 V (D/Y) do 2,2 kW, napięcie zasilania 400 V/690 V (D/Y) od 3,0 kW do 200 kW, częstotliwość 50 Hz, czujnik temperatury (termistor PTC), klasa ochrony IP55, klasa ciepła F, mocowanie na łapach oraz mocowanie przez kołnierz okrągły. Oprócz tego jest dostępnych szereg rozwiązań dodatkowych, np. w postaci specjalnych napięć zasilania lub częstotliwości, a także nietypowych mocy, czujników temperatury na uzwojeniach (termistory PTC), wyłączników termicznych uzwojeń (bimetal) itp.
W ofercie firmy Cantoni Group znajdują się m.in. indukcyjne silniki jednofazowe wykonane w klasie IE3 o mocy od 0,18 kW do 1,1 kW. Są to napędy przystosowane do pracy ciągłej (S1), zasilane napięciem 230 V. Silniki mogą pracować w temperaturze od –15 °C do 40 °C. Z kolei firma Fumo -Ostrzeszów oferuje m.in. silniki SWF 56-2B o mocy 0,12 kW, prędkości obrotowej 2790 obr/min oraz krotności momentu rozruchowego 2,7 Mr/Mn przy krotności prądu rozruchowego 4,6 Ir/In. Napędy elektryczne SWHF 160 L-4 tego samego producenta mają moc 15 kW, prędkość obrotową 1460 obr/min, krotność momentu rozruchowego 3,3 Mr/Mn oraz krotność prądu rozruchowego 6,3 Ir/In. Przytoczone wielkości rozruchowe odnoszone są do wielkości znamionowych.
Dobór energooszczędnego napędu to proces wieloetapowy Dobór energooszczędnego napędu elektrycznego wymaga przede wszystkim ustalenia zadań napędu, jego rodzaju (podnoszący, przewijający, transportowy, pompowo-wentylacyjny itp.) oraz jego parametrów technologicznych (prędkości, cyklogramu pracy, przyspieszenia, masy, bezwładności, współczynników tarcia). Ważne jest również określenie zewnętrznych warunków pracy napędu, takich jak temperatura, czy wysokość ppm. Dopiero w oparciu o te dane możemy dokonać wyboru koncepcji napędu (typ przekładni, silnika, elementów dodatkowych, sposobu zasilania (zasilane oddzielnie pojedyncze osie, szyna DC), rodzaju przekładni, silnika, przemiennika częstotliwości. Ostatnim krokiem jest optymalny dobór silnika pod względem mocy (przeciążenia), obciążenia termicznego, strat oraz częstotliwości zasilania (50 Hz, 87 Hz, 120 Hz lub silnik serwo), przekładni pod względem maksymalnego momentu obciążenia, obciążenia termicznego, strat oraz przemiennika częstotliwości i trybu jego pracy (skalarny, wektorowy, serwo, energooszczędny). Bardzo istotnym elementem jest określenie sposobu zagospodarowania energii podczas hamowania (rezystor hamujący, szyna DC). Energochłonność poczynionego wyboru możemy określić w oparciu o analizę jego parametrów energetycznych w postaci graficznej lub zestawienia liczbowego. Porównując w ten sposób kilka wariantów z różnymi komponentami możemy dokonać optymalnego wyboru. Powyższa procedura przeprowadzana jest w Lenze w oparciu o program Drive Solutions Designer. |
Budowa silników energooszczędnych
W nowoczesnych silnikach niejednokrotnie stosowane są wirniki odlewane z miedzi. Natomiast silniki indukcyjne bardzo często mają budowę pierścieniową z uzwojeniem nawiniętym na wirnik. Silniki pierścieniowe mają uzwojenia w postaci cewek nawiniętych drutem izolowanym.
W celu poprawy sprawności uzwojenia stojana stosowane są materiały o bardzo dobrej przewodności elektrycznej. Zastosowanie miedzi zamiast aluminium zapewnia wyższą temperaturę topnienia ze względu na lepszą odporność miedzi na cykle ciepłe w całym okresie eksploatacji silnika. Ponadto miedź cechuje się bardzo dobrą wytrzymałością na rozciąganie, działanie sił odśrodkowych i powtarzalnych obciążeń udarowych od sił, które pochodzą od dynamicznego oddziaływania prądu rozruchowego. Zaletą miedzi jest również niższy, w porównaniu do aluminium, współczynnik rozszerzalności cieplnej.
W nowoczesnych silnikach szereg interesujących rozwiązań znajduje zastosowanie w wirnikach. Specjaliści zwracają uwagę, że straty, do jakich dochodzi w wirniku, stanowią znaczną część strat mocy silnika indukcyjnego. Straty w tym zakresie są proporcjonalne do kwadratu poślizgu, stanowiącego różnicę między prędkością wirowania pola magnetycznego a prędkością obrotową wirnika dla danego obciążenia. Zatem w celu obniżenia strat w wirniku zmniejsza się poślizg przy danym obciążeniu przez zwiększenie masy przewodów wirnika (prętów i pierścieni zwierających) i/lub zwiększenie ich przewodności. Na lepszą sprawność wpływa również zwiększenie całkowitego strumienia magnetycznego w szczelinie powietrznej między wirnikiem a stojanem. W nowoczesnych silnikach aluminiowe elementy przewodzące wirnika są zastępowane przez podzespoły miedziane o zdecydowanie większej przewodności elektrycznej. Zastosowanie znajduje tu odlewanie ciśnieniowe wirników z miedzi.
Napędy energooszczędne to silniki bezszczotkowe, najczęściej o konstrukcji synchronicznej z wirnikiem w postaci magnesu trwałego, umieszczonym w wirującej obudowie z zespołem cewek. W silnikach tego typu na uwagę zasługuje wewnętrzne zabezpieczenie termiczne silnika podnoszące jego trwałość i niezawodność. Niemniej ważny pozostaje przy tym elektroniczny system sterowania zawierający regulator.
W kontekście energooszczędności warto podkreślić wyższą sprawność silników bezszczotkowych w porównaniu do silników o regulowanym napięciu oraz silników zasilanych falownikami. Jednocześnie, co istotne, pozostaje możliwość pracy z bardzo niskimi obrotami oraz trwałość i niezawodność wynikająca ze zintegrowania układu regulatora i silnika. Silniki tego typu nie wymagają stosowania przewodów ekranowanych.
Elektroniczny układ komutujący zapewnia wirowanie silnika z określoną prędkością. Układ przełącza odpowiednio prąd płynący w cewkach stojana tak, aby we wnętrzu wirnika powstało wirujące pole magnetyczne oddziałujące na pole magnesów. Bieżący kąt obrotu wału kontroluje czujnik, z którego sygnał dostaje się do układu sterującego. Układ ten działa niemal identycznie jak falownik, bowiem regulowany jest prąd cewek uzwojeń stojana.
Z oferty firmy Nord wybrać można m.in. silniki o mocy w przedziale od 0,12 kW do 200 kW. Są to energooszczędne czteropolowe silniki trójfazowe z hamulcem i bez hamulca. Producent zwraca uwagę, że stosowanie silników trójfazowych Nord o podwyższonej sprawności pozwala na zaoszczędzenie do 40 proc. kosztów energii.
Silniki energooszczędne oferuje również firma SEW-Eurodrive. Spełniają one wymagania klas energooszczędności IE1 do IE4. Na bazie silnika standardowego (IE1) silnik energooszczędny o tej samej mocy (o wysokiej sprawności – high efficiency/IE2) przyjmuje postać silnika o jeden rozmiar konstrukcyjny większego od silnika standardowego. Z kolei silnik energooszczędny tej samej mocy o bardzo wysokiej sprawności (premium efficiency/IE3) jest większy o dwie wielkości konstrukcyjne.
Silniki elektryczne 2SIE 80x-6C firmy Besel mają klasę sprawności IE2 i stopień ochrony IP54/IP55. W urządzeniach tego typu przewidziano klasę ochrony F, rodzaj pracy S1 oraz wielkość mechaniczną 80. Silnik osiąga moc 0,75 kW przy napięciu zasilania 400 V i prądzie 2 A. Sprawność wynosi z kolei 76 proc., a współczynnik mocy znamionowy 0,71 kW. Moment znamionowy to 7,8 Nm.
Przy projektowaniu napędów bierzemy pod uwagę ich energooszczędność Przy doborze energooszczędnego napędu elektrycznego należy uwzględnić dwa aspekty – rodzaj aplikacji oraz technologię konstrukcji (sprawność). Aspekt aplikacyjny dotyczy funkcjonalności, czyli potrzeby wyposażenia napędu w system sterowania i specjalne funkcje, które pozwalają zoptymalizować pracę w taki sposób, aby ograniczyć straty i zużycie energii. Dlatego najlepszym rozwiązaniem jest wybór spośród napędów dedykowanych do konkretnych aplikacji. W równym stopniu należy uwzględnić także aspekt technologiczno-jakościowy i związaną z nim sprawność energetyczną przetwornicy częstotliwości. Dzięki zminimalizowaniu strat cieplnych, niskiemu poborowi mocy w trybie gotowości oraz zainstalowaniu wentylatora chłodzącego, pracującego w oparciu o zapotrzebowanie, przetwornice częstotliwości Danfoss potrafią osiągać sprawność przekraczającą 98%, nawet z wbudowanymi elementami, takimi jak dławik DC czy filtr EMC. Dodatkowo, wykorzystanie funkcji automatycznego dopasowania do silnika (AMA) i automatycznej optymalizacji energii (AEO) gwarantują, że silnik zawsze pracuje z najwyższą możliwą sprawnością, co zapewnia optymalne zużycie energii i jej niskie straty. Przy projektowaniu rozwiązań napędowych firma Danfoss zawsze brała pod uwagę ich energooszczędność. Dlatego opracowaliśmy aplikację Danfoss ecoSmart (dostępną również w postaci mobilnej), dzięki której na podstawie wprowadzonych informacji o wybranym silniku, punktach obciążenia i parametrach przetwornicy częstotliwości Danfoss można obliczyć i udokumentować sprawność używanej przetwornicy oraz określić klasę sprawności energetycznej systemu zgodną z normą EN 50598-2. |
Oszczędności energii z falownikiem
Falownik (przetwornica częstotliwości) również pozwala na obniżenie zapotrzebowania na energię elektryczną podczas pracy silnika. Zapewnia to stosowana m.in. w falownikach unowocześniona funkcja autotuningu silnika, która jest zarówno w przetwornicach ze sterowaniem wektorowym, jak i skalarnym. Funkcja autotuningu umożliwia stworzenie przez przetwornicę częstotliwości pełnego modelu matematycznego silnika elektrycznego, co bezpośrednio wpływa na poprawę jakości pracy układu napędowego, zmniejszając jego zapotrzebowanie na energię. Dodatkowo, mimo że podczas wieloletniej eksploatacji silnika elektrycznego zmieniają się jego parametry (np. rezystancja uzwojeń lub indukcyjność), dzięki funkcji autotuningu układ napędowy nie traci swoich parametrów początkowych Wpływa to korzystnie na zmniejszenie energochłonności napędu w czasie jego użytkowania.
Producenci oferują szereg falowników z myślą o konkretnym przeznaczeniu. Stąd też specjalne przetwornice częstotliwości zaprojektowano pod kątem aplikacji, wymagających zmiennego momentu obrotowego – np. wentylatory i pompy odśrodkowe. Takie falowniki wyposaża się w sterowanie, zgodnie z funkcją V/f. Istotną rolę odgrywa tu odporność na przeciążenie, która wynosi 110 proc. przez jedną minutę normalnej pracy. Ważny jest przy tym uniwersalny algorytm oszczędzania energii, cicha praca oraz konfiguracja 12-impulsowa do niskoprądowych harmonicznych. Specjalne oprogramowanie pozwala na konfigurowanie parametrów. W kontekście oszczędności energii dużym uznaniem cieszą się motoreduktory, bazujące na silniku, przekładni oraz falowniku. Przy konfiguracji falownika korzysta się z oprogramowania do konfigurowania napędu wyposażonego w edytor do tworzenia wizualizacji, dopasowanych do potrzeb klienta oraz diagnostyki dostosowanej dla konkretnej aplikacji.
Falownik U1000 YASKAWA bazuje na wbudowanym systemie odzyskiwania energii. Energia, która powstaje przy hamowaniu nie jest wytracana na opornikach, ale trafia do sieci elektroenergetycznej. Warto przy tym podkreślić, że w falownikach U1000 wyeliminowano problemy z harmonicznymi prądu oraz nadmiernym grzaniem urządzeń w sieci energetycznej czy z awariami urządzeń elektronicznych. Dostarczona energia elektryczna jest czysta, a zniekształcenia nie przekraczają 5 proc.
Falownik Inveor firmy Kostal jest montowany bezpośrednio na silniku elektrycznym. W urządzeniu przewidziano sterowanie wektorowe i skalarne. Oprócz tego zastosowano funkcję oszczędzania energii, wbudowany regulator PID z funkcją stand by oraz funkcje ochrony silnika. Urządzenie jest dostarczone z oprogramowaniem na PC z funkcją oscyloskopu. Moc falownika osiąga 0,37–22 kW. Urządzenia o mocy do 7,5 kW mają chłodzenie konwekcyjne, natomiast urządzenia o mocy przekraczającej 7,5 kW bazują na chłodzeniu wymuszonym. Falownik ma zasilanie trójfazowe 400–480 V (–15%/+10%), a w przypadku mocy 1,5 kW wybrać można wersję z zasilaniem jednofazowym 200–230 V (+15%). Ważny jest bardzo szeroki zakres regulacji obrotów i możliwość wyboru wielu opcji dodatkowych w postaci klawiatury foliowej, przenośnego programatora z wyświetlaczem tekstowym, modułu fieldbus (CANopen, EtherCAT, Profibus) czy wygodnego panelu operatorskiego z przejrzystym wyświetlaczem.
Optymalizacja silników indukcyjnych
Optymalizacja silników indukcyjnych dotyczy przede wszystkim działań w zakresie ograniczenia strat występujących w uzwojeniu wirnika. W nowoczesnych silnikach stawia się na zwiększenie ilości materiałów czynnych i optymalnego przekroju żłobków blach, przy większym przekroju uzwojenia. Ważna jest również optymalizacja procesu obróbki mechanicznej wirnika, stąd też np. klatkę wirnika odlewa się z miedzi. Kluczowym zadaniem jest potrzeba zmniejszenia strat mocy w uzwojeniu stojana przez zwiększenie masy materiałów czynnych oraz zwiększenie przekroju przewodów uzwojenia stojana i przekroju żłobków blach. W niektórych konstrukcjach skracane są długości połączeń czołowych uzwojenia stojana, które nie mają wpływu na generowanie strumienia elektromagnetycznego a jedynie powodują wzrost strat mocy w miedzi. Uzwojenia optymalizuje się również zmniejszając liczbę zwojów uzwojenia stojana oraz maksymalizując współczynnik wypełnienia żłobka, zachowując przy tym uzwajanie maszynowe. Coraz częściej stosowane jest uzwojenie z miedzi beztlenowej o przewodności zwiększonej dzięki wyeliminowaniu zanieczyszczeń miedzi. Taka miedź ma postać emaliowanego drutu nawojowego. W nowoczesnych silnikach eliminowane są straty energii w wyniku stosowania blach elektrotechnicznych o małej stratności.
W celu zapewnienia najwyższej sprawności energetycznej napędów wdraża się szereg rozwiązań w budowie łożysk. Przykładowo stosowane są łożyska toczne ze zredukowanym współczynnikiem tarcia. Wybierając odpowiednie łożyska zwraca się uwagę na ich średnice i luz poprzeczny oraz skuteczne smarowanie. Wyższą wartość sprawności można uzyskać przez zastosowanie odpowiedniej konstrukcji uszczelnień.
Ważna jest eliminacja strat w systemie wentylacji silnika. Jeżeli straty w stojanie i w wirniku są zminimalizowane, to można zastosować w silniku wentylator o mniejszej średnicy przy zoptymalizowanym kształcie kierownicy osłony przewietrznika. Zapewni to lepszy przepływ powietrza i mniejsze straty tarcia aerodynamicznego. Wiele konstrukcji napędów wykorzystuje bezkontaktowe uszczelnienia wału zamiast pierścienie Simmera.
Napędy mogą być bardziej ekonomiczne i ekologiczne Energooszczędność to parametr zyskujący coraz większe znaczenie w eksploatacji maszyn przemysłowych, nie tylko ze względu na korzyści ekonomiczne, ale także ze względu na ochronę środowiska i wynikające z niej przepisy nakazujące redukcję poboru mocy. Według raportu The International Energy Agency 2/3 energii elektrycznej w zakładach przemysłowych zużywają silniki elektryczne. Oznacza to, że poprawienie efektywności energetycznej napędzanych przez nie maszyn ma niebagatelne znaczenie zarówno dla przedsiębiorców, jak i dla środowiska. Zminimalizowanie poboru energii i spełnienie wymagań prawnych w tym zakresie można osiągnąć uwzględniając kilka czynników podczas doboru napędu elektrycznego. Bardzo ważna jest sprawność zastosowanego silnika. Zgodnie z przepisami Unii Europejskiej od początku 2017 r. wymagane jest stosowanie silników klasy IE3 (jeśli są zasilane bezpośrednio) lub IE2 (jeśli są zasilane za pośrednictwem przemiennika częstotliwości).Jednak aby naprawdę ograniczyć zużycie energii elektrycznej, należy dobierać napędy uwzględniając budowę całej maszyny lub instalacji i parametry pracy. Dla maszyn takich jak pompy, wentylatory czy przekładnie charakterystyka sprawności w funkcji obciążenia jest wyznaczana przez producenta. Należy dobrać napęd w taki sposób, aby punkt pracy znajdował się w obszarze, w którym straty energii są najmniejsze. Dodatkowym czynnikiem mającym wpływ na zużycie energii jest sposób zasilania silnika. Dzięki zastosowaniu przemienników częstotliwości możliwe jest dostosowanie wydajności napędu do potrzeb, bez konieczności ograniczania dodatkowymi podzespołami, jak w przypadku silników zasilanych bezpośrednio (na przykład dławienie przepływu zaworem w instalacji z pompą). Pamiętając, że blisko 95 proc. kosztów eksploatacji napędu stanowi energia elektryczna, korzyści płynące z ograniczenia jej zużycia w perspektywie całego czasu eksploatacji są znaczące. |
Serwonapędy
Serwonapędy to przetwornice częstotliwości pozwalające na regulowanie prędkości obrotowej i ustalanie kąta serwosilników. W nowoczesnych urządzeniach tego typu uwzględnia się technologię bezszczotkową z magnesami trwałymi.
Typowy serwonapęd składa się zazwyczaj z trzech elementów pracujących w zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego. Urządzeniem wykonawczym jest w tym przypadku najczęściej silnik. Istotnym elementem jest również regulator lub sterownik realizujący określony algorytm oraz element sprzężenia zwrotnego, czyli enkoder, rezolwer lub tachometr. Poszczególne modele silników są zasilane napięciem jedno- lub trójfazowym, przy czym istotną rolę odgrywa kondensator lub dławik będący stopniem pośrednim zasilania. Z kolei za wytwarzanie napięcia wyjściowego odpowiada falownik.
Sterowniki serwonapędów odpowiadają za nadzorowanie pracy silników. Nowoczesne urządzenia tego typu uwzględniają szereg czynników towarzyszących pracy silników. Na uwagę zasługują znaczne moce wyjściowe przy zachowaniu niewielkich wymiarów urządzenia. Ważna jest możliwość zsynchronizowania pracy dużej liczby osi, dzięki zastosowaniu sieci kontroli ruchu Mechatrolink. Tym sposobem można zdecydowanie zmniejszyć wielkość okablowania. Zaletą takiego rozwiązania jest też większa odporność na zakłócenia sieci zasilającej oraz zmniejszenie błędów instalacyjnych. Warto podkreślić, że sieć Mechatrolink w standardowej konfiguracji wieloosiowej charakteryzuje się czasem cyklu 500 ms. W miejscach o ograniczonej przestrzeni warto zastosować napęd ze sterownikiem wbudowanym w silnik. Zaletą takiego rozwiązania są kompaktowe obudowy ze znacznie zmniejszonymi wymiarami.
W zaawansowanych modelach sterowników połączono funkcjonalność kontrolera, sterownika wysokoprądowego i sterownika PLC. Niejednokrotnie zastosowanie znajduje interfejs komunikacyjny CANopen. Niektóre urządzenia mają wymienny moduł komunikacyjny do współpracy z różnymi sieciami przesyłu danych. Oprócz tego wybierając serwonapęd trzeba pamiętać o odpowiednim sposobie montażu sterownika, ponieważ obudowy można instalować bezpośrednio na napędzie lub szynie montażowej. Niemniej ważne są wejścia sterowników przeznaczone do współpracy z enkoderami inkrementalnymi, cyfrowymi, liniowymi oraz Halla. Istotną rolę odgrywają również odpowiednie zabezpieczenia. Najważniejsze z nich to zabezpieczenia nadprądowe, zwarciowe, nadnapięciowe, termiczne i podnapięciowe.
Serwonapędy Astraada SRV-63 umożliwiają pozycjonowanie oraz regulowanie prędkości i momentu obrotowego. Urządzenia jednofazowe osiągają moc 0,2–1 kW, a napędy trójfazowe 1,5–5,5 kW. Ważna jest też łatwa integracja ze sterownikami opartymi na CODESYS (np. Astraada One). W silnikach można przewidzieć enkodery absolutne lub inkrementalne. Parametryzację przeprowadza się przez panel na wzmacniaczu lub za pomocą portu microUSB. Przydatną funkcją jest programowa redukcja mechanicznych częstotliwości rezonansowych oraz funkcja autotuningu i możliwość pracy w trybie „follower”.
Serwonapędy oferuje również firma WObit. W ramach oferty do wyboru jest osiem serii silników ze znamionowym momentem od 0,64 Nm do 19 Nm. W silnikach przewidziano wbudowany enkoder inkrementalny o rozdzielczości 2500 imp./obrót. Silniki te osiągają moc od 200 W do 4,40 kW.
Serwosterowniki serii FD WObit mają interfejsy komunikacyjne RS-485, Modbus RTU oraz CanOpen. Tym sposobem może odbywać się wymiana danych np. ze sterownikiem PLC lub panelem operatorskim. Ważna jest możliwość pracy w kilku trybach – krok/kierunek (analogicznie do silników krokowych), kontroli prędkości, kontroli momentu, dojazdu do zadanej pozycji krańcowej.
Firma Hitachi oferuje m.in. serwonapędy AC serii AD o zakresie mocy od 100 W do 7000 W przy zakresie momentu 0,32–33,4 Nm. W urządzeniach tego typu przewidziano moduł odpowiedzialny za sterowanie cykliczne z pamięcią 6 kB i 100 punktami pozycjonowania. Jest możliwe pozycjonowanie/sterowanie. Serwonapęd może pracować w sieciach DeviceNet, Sercos oraz Modbus. Dzięki funkcji autotuningu można opcjonalnie dostroić napęd tak, aby zapobiec wibracjom podczas zmian obciążenia. Serwonapęd współpracując z modułem EH-POS4 może obsłużyć sterowanie w czterech osiach. Serwonapędy Hitachi mają hamulce elektromagnetyczne i enkodery. System napędu typu AC 890 Parker SSD Drives stanowi modułowy napęd AC. W konwerterze przewidziano 5 trybów pracy – V/F, Sensorless Vector, Flux Vector, Servo Drive, Line Regenerative (AFE). Urządzenie ma wbudowane filtry EMC. Z kolei serwonapęd AC typu 638 tego samego producenta znajduje zastosowanie w aplikacjach wymagających regulacji prędkości oraz sterowania prądem i pozycją. Należy tutaj zwrócić uwagę na ultraszybką pętlę sterowania, wbudowane funkcje PLC, programowalną elektroniczną krzywkę oraz 3 konfigurowalne generatory trajektorii. Należy przy tym podkreślić wieloosiową synchronizację oraz liczne opcje: fieldbus oraz I/O i Safe Torque Off.
Serwonapęd EMCA z oferty firmy Festo wykorzystuje bezobsługowy silnik EC oraz zabudowany na nim sterownik silnika. Tym sposobem nie ma potrzeby stosowania długich kabli, tak więc zwiększa się poziom odporności na zakłócenia elektromagnetyczne. Ważny jest również krótki czas instalacji przy ograniczonych wymaganiach w zakresie przestrzeni zabudowy napędu. Warto zwrócić uwagę na funkcję monitorowania stanu napędu, co przekłada się na wysoki poziom sprawności i niezawodności. Przydatne rozwiązanie stanowi sygnalizacja położenia bezwzględnego poprzez enkoder jednoobrotowy (opcjonalnie wieloobrotowy). Zastosować można również przekładnie zapewniające optymalną adaptację do różnych zadań pozycjonowania. Parametryzacja i uruchamianie napędu odbywa się poprzez oprogramowanie Festo Configuration Tool (FCT).
Sprawność silnika wpływa na koszty użytkowania napędu Główne kryteria doboru napędu elektrycznego nie zależą od jego efektywności energetycznej. Najważniejsze wciąż pozostają parametry użytkowe, takie jak prędkość obrotowa i moc na wale silnika, potrzebne do właściwego funkcjonowania urządzenia. Możemy natomiast w łatwy sposób dokonać kalkulacji, jak zastosowanie napędu o wyższej sprawności wpłynie na koszty jego użytkowania.
Silnik pobiera moc elektryczną, powiązaną z mocą na wale i sprawnością silnika, liczoną ze wzoru: P1 = P2/, gdzie P1 oznacza moc czynną pobieraną z sieci, P2 – moc na wale silnika, To uproszczone podejście nie uwzględnia jednak wielu czynników charakteryzujących silniki różnych klas sprawności, takich jak obroty silnika, współczynnik mocy, rezerwa cieplna czy przeciążalność, z których większość działa na korzyść silników wysokosprawnych. |
Softstarty
Nowoczesne systemy napędowe nie obejdą się bez softstartów. Są to urządzenia ograniczające udar prądowy, czyli znaczny wzrost natężenia prądu w krótkim czasie w momencie załączania urządzeń elektrycznych. Softstarty są nieodzownym elementem układów zasilania o znacznych mocach, takich jak silniki elektryczne, lampy halogenowe, zasilacze lub prostowniki z kondensatorami o dużej pojemności. W szczególności chodzi o urządzenia, które wraz z rozruchem mogą pobierać prąd wielokrotnie przewyższający natężenie prądu znamionowego. Udar prądu niejednokrotnie jest przyczyną przeciążenia sieci i zadziałania zabezpieczeń nadprądowych.
Nowoczesne softstarty to urządzenia energoelektroniczne ze sterowaniem mikroprocesorowym. Budowa typowego softstartu silnika asynchronicznego klatkowego bazuje na module energetycznym w postaci tyrystorów lub triaków oraz układzie załączania tyrystorów w odpowiednim momencie fazy, który jest zależny od pobieranego prądu i prędkości obrotowej.
Softstart PSTX firmy ABB zapewnia bezpieczną i niezawodną pracę silnika, zwiększa wydajność instalacji i poprawia produktywność aplikacji. Sofstarty PSTX umożliwiają sterowanie trójfazowe. Napięcie robocze wynosi od 208 V AC do 690 V AC, przy czym ważny jest szeroki zakres znamionowego napięcia sterowania 100 V do 250 V, 50/60 Hz. Z kolei znamionowy prąd roboczy kształtuje się w granicach 30 A do 370 A (wewnętrzny trójkąt – 640 A). Odpowiednie sterowanie momentem obrotowym zapewnia optymalną pracę pomp.
Z kolei sofstarty Altistart 01 firmy Schneider Electric osiągają moc 0,37 kW do 15 kW. Urządzenia tego typu odpowiadają za łagodny rozruch silników asynchronicznych przez redukcję prądu rozruchowego. Wykorzystywane jest przy tym stopniowe zwiększanie wartości napięcia w momencie
rozruchu.
Softstarty trójfazowe serii SF-110 do SF-550 firmy F&F Filipowski udostępniają 6 typów charakterystyk rozruchowych. Kontrolowany jest moment, prąd oraz moc podczas rozruchu i pracy. Silnik ma zabezpieczenie przed przeciążeniem, niedociążeniem oraz ochronę nadnapięciową i podnapięciową. Do obsługi urządzenia służy panel sterowniczy z klawiaturą i wyświetlaczem LED. Do kontroli prądu służy wyjście analogowe, a wyjścia przekaźnikowe można programować. Możliwy jest również automatyczny restart silnika. Softstart EMX4 firmy AuCom jest oferowany w wersji ekonomicznej EMX4e i w wersji zaawansowanej EMX4i. W wersji zaawansowanej przewidziano szereg rozbudowanych funkcji związanych ze sterowaniem – parametryzacja dwóch silników, miękkie hamowanie, funkcja pracy serwisowej (w przód/w tył), programator dobowy, wzmocniony start itp. Softstart można opcjonalnie wyposażyć w inteligentne karty pozwalające na sterowanie całym systemem napędowym. Algorytm XLR-8 odpowiada za przyspieszenie adaptacyjne przy automatycznym dostrajaniu. Tym sposobem zyskuje się precyzyjne sterowanie przy przyspieszaniu i zwalnianiu silnika. Opcjonalnie można przewidzieć karty komunikacyjne – Profibus, Modbus RTU, DeviceNet, EtherNet/IP, ProfiNet.
Diagnostyka silników elektrycznych
W celu sprawdzenia dynamicznych silników elektrycznych wykonuje się testy jakości zasilania, pomagające zapewnić optymalną jakość energii elektrycznej. Jak wiadomo to właśnie zasilanie może przyczynić się do powstania dodatkowego obciążenia silnika. Wykonuje się przy tym testy poziomu i równowagi napięcia, łącznie z wykrywaniem zniekształceń harmonicznych i zniekształcenia
całkowitego.
Diagnostykę silników elektrycznych najczęściej przeprowadza się w warunkach pracy, łącznie z napędzaną maszyną. W tym celu stosowane są również specjalistyczne stanowiska remontowe. W silnikach sprawdza się połączenia bazując chociażby na diagramach fazowych, słupkowych wykresach prądów, napięć oraz zawartości harmonicznych. Kluczową rolę odgrywają pomiary napięcia chwilowego, części symetrycznych oraz częstotliwości. Podczas dynamicznej diagnostyki VFD śledzi się również prędkość silnika.
Kluczowe miejsce zajmują testy wydajności pod kątem oceny stanu działania silnika i przeciążeń oraz źródeł ich generowania. Analizie poddaje się współczynnik pracy, warunki operacyjne oraz obciążenia. W razie potrzeby można też obliczyć okres zwrotu z inwestycji.
Diagnostyka silników elektrycznych nie obejdzie się bez testów momentu obrotowego. Dzięki testom falowania momentu obrotowego oraz spektrum momentu obrotowego wykrywa się wiele problemów w mechanice oraz w zakresie przejściowych przeciążeń, nierównowagi mechanicznej i kawitacji, a także problemów z łożyskami.
W trakcie diagnostyki dokonuje się pomiarów częstotliwości i prądów zasilania. Jest więc możliwe wykrycie pęknięć prętów wirnika silnika zwartego lub jego pierścieni. Określane są przy tym charakterystyki czasowe prądów zasilania mierzonych podczas rozruchu silnika, a co za tym idzie chwilowe prądy rozruchu i czasy ich trwania.
Dla prawidłowej pracy silników ważne jest zdefiniowanie przeciążeń termicznych silnika, a także rozpoznanie pogorszenia stanu ogólnego. Stawia się przy tym na trafne wskazanie przyczyn wszelkich strat energii.
Niemniej ważne są testy prądu pod kątem przeciążeń i asymetrii. Bardzo często przeprowadza się testy spektrum obejmujące pręty wirnika, spektrum V/I, zdemodulowanego spektrum i wartości harmonicznych. Dzięki testom spektrum można określić związki między prądem i napięciem a częstotliwością. Jest również możliwe wykrycie problemów z nasyceniem i defektów w postaci pęknięć prętów wirnika i nadmiaru VFD na szynach niskiego napięcia.
Podsumowanie
Silniki energooszczędne zapewniają wyższą sprawność energetyczną maszyny i większy poziom niezawodności. Zyskuje się niższe koszty eksploatacji a wyższy koszt silnika szybko się
zwraca.
Na terenie Unii Europejskiej wprowadzono usankcjonowane prawnie wymogi dotyczące efektywności energetycznej trójfazowych silników asynchronicznych 2-, 4- i 6-biegunowych.
Mniejsze zapotrzebowanie na energię elektryczną można uzyskać przez zastosowanie odpowiedniego falownika. Chodzi tu o unowocześnioną funkcją autotuningu silnika, która jest dostępna nie tylko w przetwornicach częstotliwości wyposażonych w sterowanie wektorowe, ale także bazujących na sterowaniu skalarnym.
Optymalizacja silników indukcyjnych dotyczy przede wszystkim działań w zakresie ograniczenia strat występujących w uzwojeniu wirnika. Projektanci silników dążą do zwiększenia liczby elementów o charakterze czynnym oraz do zoptymalizowania przekroju żłobków zwiększając przekrój uzwojenia.
Nowoczesne systemy napędowe nie obejdą się bez softstartów. Są to urządzenia, które ograniczają udar prądowy, czyli znaczny wzrost natężenia prądu w krótkim czasie podczas załączania urządzeń elektrycznych.
W przypadku sprawdzeń dynamicznych wykonuje się testy jakości zasilania pomagające zapewnić optymalną jakość energii elektrycznej. Jak wiadomo, to właśnie zasilanie może przyczynić się do powstania dodatkowego obciążenia silnika.
źródło: Automatyka 11/2017
Komentarze
blog comments powered by Disqus