Napędy elektryczne efektywne energetycznie
Koszty energii elektrycznej stanowią istotną pozycję w budżecie każdego zakładu przemysłowego. W przemyśle największy, sięgający 70 proc. udział w jej zużyciu mają silniki elektryczne. Ich energochłonność można jednak obniżyć nawet o 20–30 proc. Można też z dużym wyprzedzeniem diagnozować nieprawidłowości w pracy, by uniknąć poważnych awarii i niezwykle kosztownych przestojów. Obecnie jest to nie tylko możliwe i skuteczne, ale – dzięki Przemysłowemu Internetowi Rzeczy (ang. Industrial Internet of Things, IIoT) – także niedrogie.
O tym, jak wielkie możliwości kryją się w optymalizacji pracy silników elektrycznych, przekonuje lektura raportu opublikowanego przez The International Energy Agency, dostępnego pod adresem www.iea.org/publications/freepublications/publication/EE_for_ElectricSystems.pdf. To pierwsza tak kompleksowa, globalna analiza wykorzystania energii w układach napędzanych przez silniki elektryczne.
EMDS – zaniedbany sektor
Optymalizacja pracy maszyn oraz uzyskanie jak najwyższej efektywności energetycznej i eksploatacyjnej silników elektrycznych pozwala uzyskać wielostronne korzyści zarówno w budżecie każdego przedsiębiorstwa, jak i w skali globalnej: oszczędności bezpośrednie (mniejsze zużycie energii elektrycznej), oszczędności pośrednie (dłuższy czas użytkowania, mniejsza awaryjność, mniejsze koszty serwisu, redukcja kosztów przestojów) iochrona środowiska naturalnego (zmniejszenie emisji CO₂).
Wnioski z raportu pokazują, że optymalizacja energetyczna sektora EMDS (Electric Motor-Driven System) to szansa na 20–30-proc. poprawę efektywności silników, co przełożyłoby się na zmniejszenie o około 10 proc. globalnego zapotrzebowania na energię elektryczną. Autorzy zwracają równocześnie uwagę na fakt, że do tej pory zainteresowanie tym źródłem oszczędności energii było stosunkowo niewielkie, co można rozpatrywać wkategoriach zaniedbania, ale też szansy.
Z cytowanego raportu wynika, że w przemysłowych układach napędowych najczęściej stosowane są silniki asynchroniczne średniej mocy (definiowanej jako moc od 7 kW do 1 MW). Większość z nich to silniki indukcyjne klatkowe. To w ich optymalizacji kryją się wspomniane rezerwy i potencjalne oszczędności.
Gdzie „wycieka” energia?
Sprawność silnika elektrycznego to stosunek mocy mechanicznej oddawanej na wale do mocy elektrycznej pobranej z sieci. Zamiana energii elektrycznej na mechaniczną nie odbywa się bez strat. W asynchronicznym silniku klatkowym na ogólną wartość strat energii składają się straty w uzwojeniach stojana, straty w wirniku, straty w stali, straty związane z tarciem oraz straty dodatkowe (np. wywołane wyższymi harmonicznymi).
Moc mechaniczna, dostępna na wale silnika, jest zmieniana na moc wyjściową maszyny napędzanej przez silnik. Przykładowo moc pompy jest równowartością iloczynu wydajności i wysokości podnoszenia (lub maksymalnego ciśnienia). Sprawność przetwarzania energii w układzie zależy nie tylko od sprawności silnika, lecz także od sprawności całej maszyny i właściwego doboru elementów układu. Niewłaściwy stan techniczny, niewłaściwa eksploatacja i sterowanie poza obszarem optymalnym powoduje nadmierne zużycie energii, a także, co oczywiste, zmniejszenie sprawności procesu.
Jak redukować straty?
Chcąc zredukować straty, można obrać jedną z dwóch strategii: udoskonalić konstrukcję maszyn lub maksymalnie wykorzystać możliwości już istniejących układów. Pierwsza wymaga zastosowania silników odznaczających się jak najwyższą sprawnością działania i odpowiedniego ich doboru do warunków przyszłej eksploatacji. Niezależnie od tego konieczne jest oczywiście utrzymywanie ich w trakcie eksploatacji w jak najlepszym stanie – dlatego druga strategia zawsze obowiązuje.
Druga strategia dotyczy przede wszystkim urządzeń już stosowanych – dzięki zmianie charakteru pracy i optymalizacji warunków eksploatacji można zwiększyć ich sprawność, zmniejszyć awaryjność i znacząco wydłużyć cykl życia.
Korzyści z optymalnego doboru maszyn oraz wczesnego diagnozowania i predykcji możliwych awarii na długo przed ich zaistnieniem są oczywiste. Jednak sięgnięcie do tego źródła oszczędności nie jest możliwe, jeżeli nie dysponujemy danymi na temat faktycznej eksploatacji i sprawności maszyny oraz jej rzeczywistego stanu technicznego.
Diagnostyka z użyciem IIoT
Przez długi czas trudnym i kosztownym do rozwiązania problemem było diagnozowanie stanu technicznego maszyn w trakcie eksploatacji. Remedium okazały się rozwiązania wykorzystujące IIoT. Zasada działania jest prosta: zainstalowane w urządzeniu czujniki rejestrują odpowiednie parametry pracy urządzenia, a odpowiedni moduł zbiera je i przesyła pod wskazany adres za pośrednictwem Internetu.
Najczęściej stosowane metody diagnostyki silników i układów elektromaszynowych to wibrodiagnostyka, tribodiagnostyka, termodiagnostyka, diagnostyka akustyczna i elektrodiagnostyka.
Nie wnikając w zawiłości poszczególnych metod, łatwo zauważyć, że wszystkie mają ten sam cel: postawienie diagnozy bez wstrzymywania pracy maszyny. Aby to osiągnąć, trzeba poddać analizie i interpretacji zebrane dzięki wsparciu IIoT dane na temat wibracji, składu smaru maszynowego, wysokości i rozkładu temperatury, sygnałów akustycznych czy zmiany prądu, czyli zamienić np. na informacje o charakterze i lokalizacji usterki.
W tym miejscu pojawiają się kolejne problemy: wysoki koszt, trudności związane z oczujnikowaniem oraz jakość diagnostyki. Nawet najpełniejszy, najbardziej szczegółowy, ale nieprzetworzony zbiór danych jest tylko informacyjnym „śmietnikiem”. Z kolei nieskutecznie przetworzone (błędnie zinterpretowane) dane mogą być przyczyną błędnej diagnozy. Efekt to straty zamiast oczekiwanych oszczędności.
Elmodis – inteligentna elegancja
Na tle różnych dostępnych na rynku systemów wyróżnia się propozycja polskiego start-upu Elmodis. „Elegancja” może wydać się określeniem niestosownym w branży diagnostyki silników elektrycznych, ale dobrze oddaje charakter stosowanych przez firmę rozwiązań.
System opiera się na opatentowanej technologii analizy pomiarów elektrycznych. Moduł pomiarowo-diagnostyczny instalowany jest w rozdzielni elektrycznej, bez konieczności ingerencji w instalację elektryczną silnika czy instalowania kosztownych dodatkowych sensorów. Rozwiązanie umożliwia dodatkowo łatwą integrację istniejących czujników procesowych z systemem Elmodis. Dzięki temu koszty wdrożenia systemu są znacznie niższe w porównaniu z konkurencyjnymi rozwiązaniami.
Zaawansowana obróbka danych odbywa się już na poziomie układu pomiarowo-przetwarzającego z zastosowaniem technologii EADEC (ang. Elmodis Advanced Edge Computing). Dane pomiarowe są wysyłane do serwera w chmurze, co pozwala użytkownikowi monitorować na bieżąco stan maszyny. Zintegrowane środowisko raportowe umożliwia łatwe opracowywanie spersonalizowanych analiz i zestawień wspierających utrzymanie, a także optymalizację eksploatacyjną maszyn. Dostęp do nich jest możliwy z poziomu przeglądarki internetowej na komputerach stacjonarnych i urządzeniach przenośnych.
Proponowany przez Elmodis system sprawdza się zarówno na etapie planowania zakupu nowych maszyn, jak i w diagnostyce oraz optymalizacji pracy już zainstalowanych układów i predykcji uszkodzeń. To pierwsza na rynku kompletna platforma wspomagania eksploatacji i utrzymania maszyn przemysłowych napędzanych silnikami elektrycznymi. O jej praktycznej skuteczności przekonuje rosnąca liczba wdrożeń. A to dopiero początek, ponieważ technologia Elmodis, wykorzystująca machine learning, ma właściwości dobrego wina – jej wartość (skuteczność i inteligencja) rośnie z każdym dniem, a także z każdą nową implementacją.
ELMODIS Sp. z o.o.
ul. Jana Dekerta 24, 30-703 Kraków
e-mail: elmodis@elmodis.com
www.elmodis.com
source: Automatyka 11/2017