Wolność wyboru technologii silnikowej dzięki Danfoss VLT AutomationDrive

Producenci stosują wiele koncepcji konstrukcji silników elektrycznych w celu uzyskania wysokiej sprawności układów napędowych w zastosowaniach przemysłowych, komunalnych i budynkowych. Choć większość technologii silnikowych zapewnia porównywalną sprawność w nominalnym punkcie pracy układu, różnią się pod wieloma względami w obszarze parametrów rozruchowych i charakterystyki pracy pod niepełnym obciążeniem. Dla użytkowników głównym skutkiem dużej różnorodności technologii silników jest potrzeba znalezienia technologii odpowiedniej do danego zastosowania, tak aby zmaksymalizować sprawność energetyczną i uzyskać związane z tym korzyści.

W zasadzie prawie wszystkie silniki można eksploatować z regulowaną charakterystyką zasilania, określając wymagane napięcie dla poszczególnych prędkości obrotowych lub częstotliwości wyjściowej (charakterystyka napięciowo-częstotliwościowa). Jednak teoretyczną sprawność, wynikającą z poszczególnych technologii silnikowych, można w praktyce uzyskać z użyciem algorytmów sterowania specjalnie przygotowanych dla danej technologii. W przeciwnym razie nie jest możliwa optymalizacja pracy silnika dla każdego punktu pracy przy zmiennym obciążeniu.

Synchroniczne silniki reluktancyjne

W synchronicznych silnikach reluktancyjnych wykorzystuje się technologię znaną od dawna. W przeszłości były one optymalizowane pod względem momentu obrotowego lub wielkości korpusu, jednak dziś w projektowaniu kładzie się nacisk na sprawność energetyczną. Silniki te wykorzystują siłę reluktancji, która wynika ze zmian oporu magnetycznego. Obecnie specjalnie zaprojektowane wycięcia w wirniku prowadzą linie pola magnetycznego wewnątrz wirnika w celu wytworzenia momentu reluktancyjnego z wysoką sprawnością. Synchroniczne silniki reluktancyjne wymagają do pracy przetwornicy częstotliwości. 

Jako niezależny producent rozwiązań napędowych Danfoss stawia na innowacyjny rozwój, zapewniający obsługę wszystkich powszechnie stosowanych typów silników. Algorytm sterowania silnikami reluktancyjnymi jest już dostępny w standardowej przetwornicy Danfoss VLT. Dotychczas przetwornice częstotliwości Danfoss oferowały algorytmy sterowania, zapewniające wysoką sprawność standardowych silników indukcyjnych i silników z magnesami trwałymi (PM), a obecnie, począwszy od VLT AutomationDrive FC 302, obsługują również synchroniczne silniki reluktancyjne. Ponadto przetwornica częstotliwości VLT sprawia, że ustawienie programu, dopasowanie algorytmu pracy i uruchomienie takiego silnika przy wdrożeniu do eksploatacji jest równie łatwe, jak w przypadku standardowych silników indukcyjnych. Dzięki połączeniu łatwości użytkowania z dodatkowymi użytecznymi funkcjami, takimi jak automatyczna adaptacja silnika, która mierzy charakterystykę silnika i odpowiednio optymalizuje jego parametry, silnik zawsze pracuje z najwyższą możliwą sprawnością, pozwalając użytkownikom na zmniejszenie zużycia energii i kosztów eksploatacji.

Małe zróżnicowanie układów napędowych w instalacjach

Niemal wszystkie powszechnie stosowane technologie silnikowe wymagają sterownika elektronicznego lub mogą być sterowane elektronicznie. Rodzi się jednak pytanie: czy wszystkie silniki można obsługiwać z użyciem zaledwie jednego typu sterownika? Jeżeli nie, użytkownicy i operatorzy ryzykują konieczność stosowania bardzo zróżnicowanych układów. W praktyce oznacza to wyższe koszty szkolenia projektantów i operatorów układów, jak również szerszej bazy serwisowej. Konieczność magazynowania części zamiennych do różnego rodzaju urządzeń to także większe koszty eksploatacji.

Możliwość obsługiwania wszystkich typów silników przetwornicą częstotliwości tylko jednego typu jest korzystna dla użytkowników, ponieważ znacznie redukuje opisane dodatkowe nakłady pracy i środki finansowe przeznaczane na utrzymanie ruchu. Jako niezależny producent przetwornic częstotliwości Danfoss oferuje rozwiązanie, dzięki któremu możliwe jest sterowanie za pomocą jednego urządzenia wszystkimi standardowymi silnikami, powszechnie stosowanymi w automatyce przemysłowej, komunalnej i budynkowej. Daje to operatorom instalacji możliwość stosowania tego samego interfejsu operatora, tych samych interfejsów układów, tych samych rozszerzeń oraz sprawdzonej, niezawodnej technologii w całym zakresie mocy. Zarządzanie częściami zamiennymi i ich obsługa stają się prostsze, a koszty szkoleń spadają.

Nowe klasy sprawności

Maszyny napędzane silnikami elektrycznymi odpowiadają za dwie trzecie zużycia energii w przemyśle. Dzięki zastąpieniu dotychczasowych, liczących sobie dziesiątki lat napędów nowoczesnymi technologiami napędowymi, w samych tylko Niemczech w przemyśle i handlu można uzyskać oszczędności rzędu 38 mld kWh rocznie. W skali europejskiej dałoby to redukcję zużycia o aż 135 mld kWh, co odpowiada zmniejszeniu emisji CO₂ o 69 mln ton (źródło danych: ZVEI, „Motors and controlled drives”). 

Minimalne poziomy sprawności silników elektrycznych określone są w UE rozporządzeniem (WE) nr 640/2009. Rozporządzenie (UE) nr 4/2014 rozszerza zakres silników elektrycznych objętych tymi regulacjami.

Wspomniane rozporządzenia ustanawiają nowe klasy sprawności, których obecne limity dla IE1 (najniższa klasa) do IE3 zaczerpnięto z wymagań normy EN 60034-30. Norma EN 60034-30-1 określa limity dla klasy IE4, które nie zostały ujęte w aktach prawnych. Aby osiągnąć minimalną sprawność przewidzianą dla wielu z tych klas, konieczne są zmiany stosowanych technologii silnikowych, jak również wprowadzenie nowych lub usprawnionych technologii silnikowych. W rezultacie użytkownicy mają obecnie do czynienia z różnorodnymi tendencjami na rynku. Muszą również wiedzieć, co oznaczają poszczególne określenia i co poszczególne technologie mają do zaoferowania. Czy każdy silnik jest równie dobry do każdego zastosowania?

Silnik na miarę

Obecnie dostępne technologie silnikowe to:

• standardowy silnik indukcyjny,
• silnik z wirnikiem miedzianym,
• silnik z magnesami trwałymi,
• silnik EC (przypadek szczególny),
• silnik z magnesami trwałymi o rozruchu bezpośrednim,
• synchroniczny silnik reluktancyjny.

Wiele silników i napędów elektrycznych marnuje energię z powodu pracy w nieoptymalnym zakresie. W związku z tym konstruktorzy silników elektrycznych przywiązują coraz większą wagę do optymalizacji skutków środowiskowych pracy niedociążonych regulowanych układów, a w szczególności ich sprawności energetycznej. Obecnie wiele silników jest przewymiarowanych w wyniku stosowania „marginesu ostrożności” w projektowaniu i planowaniu, a zatem w większości przypadków pracuje pod obciążeniem niższym niż znamionowe. Silniki takie pracują ze zmniejszoną prędkością obrotową i zmniejszonym momentem obrotowym. Kolejnym aspektem zgodności środowiskowej silników elektrycznych jest ich wielkość mechaniczna. Zmniejszenie wymiarów silników zmniejsza ilość materiałów zużywanych podczas produkcji oraz koszty utylizacji.

Stosowanie silników o większej sprawności wprowadza nowy aspekt do rozważań na temat stosowania przetwornic częstotliwości. Po pierwsze – sterowanie prędkością, możliwe dzięki przetwornicy częstotliwości, daje ogromne możliwości zmniejszenia zużycia energii i kosztów. Po drugie – niektóre technologie silnikowe mogą być stosowane tylko wraz z tą techniką.

Podczas łączenia przetwornicy częstotliwości z silnikiem wstępną orientację zapewniają dane o mocy w kW. Do pełnego dostrojenia trzeba jednak jeszcze dopasować niezbędny prąd lub moc pozorną (dotyczy to w szczególności synchronicznych silników reluktancyjnych!). Ważne, by przetwornica częstotliwości była w stanie obsługiwać przeciążenia niezbędne w danym zastosowaniu. Wynoszą one zwykle 110 proc. w przypadku wentylatorów i pomp oraz 160 proc. w przypadku przenośników taśmowych lub podnośników. 

Optymalizacja

Użycie przetwornicy częstotliwości o jeden rozmiar większej niż potrzebna do danego zastosowania, np. w celu obsługi większego przeciążenia, nie ma negatywnego wpływu na zużycie energii, ze względu na wyższą sprawność większej przetwornicy. Inaczej jest w przypadku silnika, ponieważ przewymiarowanie ma znacznie poważniejsze skutki. W zależności od konstrukcji silnika sprawność w punkcie pracy danego zastosowania może być nawet większa niż przy obciążeniu pełnym w przypadku wyboru większego silnika.

Przetwornice częstotliwości, w których wykorzystuje się metody sterowania dostosowane do technologii silnikowej zapewniają idealne namagnesowanie podczas pracy, m.in. przy obciążeniu niepełnym. Dotyczy to również zmiennych obciążeń. Przykładowo w przetwornicach częstotliwości firmy Danfoss do silników PM stosuje się koncepcję MTPA (maksymalnego ilorazu momentu elektromagnetycznego i prądu stojana), która zapewnia najwyższą z możliwych sprawność silnika każdej konstrukcji.

Podsumowanie

Większość standardowych silników trójfazowych dostępnych na rynku pracuje bez żadnych problemów z nowoczesnymi przetwornicami częstotliwości. W procesie wyboru i instalacji użytkownicy powinni uwzględniać charakterystykę poszczególnych technologii. Więcej informacji o projektowaniu bezpiecznych i sprawnych rozwiązań napędowych można uzyskać w praktycznych instrukcjach planowania firmy Danfoss.

Przetwornice częstotliwości VLT stosowane są w różnorodnych zastosowaniach na całym świecie. Eksperci Danfoss VLT Drives służą klientom obszerną wiedzą specjalistyczną związaną z określonymi zastosowaniami. Kompleksowe doradztwo i szybka obsługa zapewniają optymalne rozwiązanie oferujące wysoką niezawodność i dostępność.

DANFOSS POLAND Sp. z o.o.

ul. Chrzanowska 5
05-825 Grodzisk Mazowiecki
tel. 22 755 07 00
fax 22 755 07 01
e-mail: info@danfoss.com
www.danfoss.pl/napedy

źródło: Automatyka 05/2015