• config

    Nowy przemiennik częstotliwości DE1: numer 1 pod względem efektywności

     

    Jednym z najgorętszych obecnie tematów są klasy efektywności energetycznej związane z silnikami elektrycznymi. W tym sektorze przemysłu trwają właśnie bardzo intensywne dyskusje nad klasami IE2, IE3, IE4 i IE5. Jedno jest pewne: zapotrzebowanie na przemienniki częstotliwości będzie wzrastać. Mimo to najlepszym rozwiązaniem dla wielu zastosowań są nadal styczniki i rozruszniki silnikowe. Heribert Joachim z oddziału firmy Eaton w Bonn wyjaśnia, na co powinniśmy zwrócić szczególną uwagę, i przedstawia możliwości dostępne dla użytkowników.

     

    Począwszy od 1 stycznia 2015 roku, firmy z branży przemysłowej znalazły się pod presją zwiększenia wykorzystania napędów gwarantujących wyższą efektywność energetyczną. Od tej daty wszystkie silniki o mocy znamionowej w zakresie od 7,5 kW do 375 kW wprowadzane na rynek po raz pierwszy muszą posiadać klasę efektywności energetycznej IE3 lub klasę efektywności energetycznej IE2, jeśli są sterowane wyłącznie z energoelektronicznych regulatorów prędkości. Od 2017 roku przepisy obejmą również silniki o mocy od 0,75 kW. Wynika to z Rozporządzenia Komisji (WE) nr 640/2009.

     

    Dotychczas stosowano dwie podstawowe metody ochrony i sterowania napędów, tj. rozruszniki silnikowe lub przemienniki częstotliwości. Każda z nich oferuje swoje indywidualne korzyści i wyzwania. Rozruszniki to stosunkowo niedrogie rozwiązanie bazujące na prostej obsłudze i wysokim poziomie niezawodności, ale ich zastosowanie wiąże się z mocno ograniczonym wachlarzem dostępnych funkcji. Z kolei przemienniki częstotliwości oferują możliwość regulacji prędkości oraz szereg różnych funkcji, ale jednocześnie są dość złożone. W efekcie wymusza to duże nakłady inwestycyjne, a użytkownicy takich rozwiązań muszą się wykazywać niemałą wiedzą techniczną z zakresu napędów. W odniesieniu do każdego konkretnego zastosowania należy indywidualnie dobierać konkretne rozwiązanie, biorąc pod uwagę system jako całość. Wiąże się to z koniecznością przeanalizowania szerokiego spektrum różnych aspektów oraz nowych funkcji.

     

    Można ogólnie podsumować, że także w przyszłości rozruszniki silnikowe będą stanowić najlepsze i najefektywniejsze energetycznie rozwiązanie w zastosowaniach wymagających stałej prędkości lub niskiej częstotliwości przełączania. Mimo to przemienniki częstotliwości są konieczne w zastosowaniach charakteryzujących się regulacją prędkości i zmiennością obciążeń. Zastosowanie przemienników częstotliwości wiąże się z szeregiem znacznych wyzwań dla wielu użytkowników, ponieważ złożoność techniczna takich urządzeń jest na tyle wysoka, że wymaga bardzo rozległej wiedzy z dziedziny napędów. Z myślą o zbudowaniu pomostu łączącego świat rozruszników oraz klasycznych przemienników częstotliwości firma Eaton stworzyła przemiennik częstotliwości DE1, który łączy korzyści oferowane przez rozruszniki z korzyściami gwarantowanymi przez klasyczne przemienniki częstotliwości.

     

    Nowy przemiennik częstotliwości DE1

     

    Przemiennik częstotliwości DE1 jest równie łatwy w obsłudze co zwykły rozrusznik silnikowy, ale jego wielką zaletą jest możliwość regulacji prędkości. Nowe urządzenie weszło na rynek pod nazwą PowerXL-DE1 VSS, a jego premiera miała miejsce na targach SPS IPC Drives w 2014 roku.

     

    Atrakcyjność nowego produktu wiąże się z faktem, że nie zawiera on żadnych przycisków ani elementów związanych z obsługą. Dzięki temu urządzenie jest niemal od razu gotowe do użytku, tj. osoba instalująca musi jedynie wyjąć urządzenie z opakowania i podłączyć przewody podobnie jak w czasie instalacji rozrusznika silnikowego. W efekcie udało nam się o 80% skrócić czas przewidziany na uruchomienie urządzenia, jeżeli porównamy to z rzeczywistym czasem instalacji rozwiązań konwencjonalnych.

     

    Firma Eaton zadbała nie tylko o bardzo prostą obsługę, lecz także o niezawodną pracę nowego urządzenia. Konstrukcja „bez zbędnych wyłączeń” gwarantuje maksymalną gotowość operacyjną. Oznacza to, że urządzenie posiada szereg funkcji zapobiegających zbędnym wyłączeniom w sytuacjach granicznych. Jedna z tych funkcji wykrywa pracę prądnicową silnika i automatycznie wydłuża rampę zatrzymania. Inna funkcja realizuje hamowanie prądem stałym przed startem. Automatyczne obniżenie częstotliwości kluczowania zapobiega wyłączeniu DE1 wskutek przekroczenia dopuszczanej temperatury urządzenia.

     

    Przemienniki częstotliwości DE1 oferują znacznie większe możliwości, niż to widać na pierwszy rzut oka. Zastosowanie wtykowego, uniwersalnego modułu konfiguracji umożliwia operatorowi zmianę ustawień fabrycznych najważniejszych parametrów jedynie za pomocą śrubokrętu — nie ma potrzeby podłączania panelu obsługi czy stosowania specjalnego oprogramowania. Wtykowy moduł pozwala szybko zmienić rampę przyspieszania/zwalniania, poziom ochrony silnika, częstotliwość sieciową oraz konfigurację zacisków. Ustawienia tych parametrów dokonuje się za pomocą elementów obsługi znajdujących się na module konfiguracyjnym. Nie zmieniając ich położenia, można te same ustawienia przenosić do wielu przemienników DE1, wystarczy jedynie podłączyć wtykowy moduł do DE1 i nacisnąć przycisk SET (skonfiguruj). Zastosowanie tej funkcji znacznie upraszcza i skraca czas potrzebny na uruchomienie urządzeń w produkcji seryjnej lub w czasie wymiany urządzenia po awarii. Użytkownik ma możliwość przypisania parametrów do nowego urządzenia z komputera PC dzięki zastosowaniu oprogramowania drivesConnect w taki sam sposób, jak miałoby to miejsce w przypadku klasycznych przemienników częstotliwości. Może także użyć modułu Bluetooth do skopiowania parametrów z jednego urządzenia na inne.

     

    Urządzenie DE1 wyposażono również w interfejs Modbus. Poprzez dedykowaną nakładkę komunikacyjną możliwa jest integracja z innowacyjnym systemem komunikacji SmartWire-DT stworzonym przez Eaton. W ten sposób uzyskuje się redukcję czasu potrzebnego na uruchomienie urządzenia na poziomie do 70%.

     

    Wyższe prądy rozruchowe silników klasy IE3…

     

    Wszystkie trzy warianty rozruszników silnikowych — czy to rozruszniki DOL, gwiazda-trójkąt, czy układy łagodnego rozruchu — zaprojektowano z myślą o bezpiecznej obsłudze wysokich prądów rozruchowych silników trójfazowych, które skutkują uciążliwymi przysiadami napięcia w zasilaniu sieciowym oraz udarami mechanicznego momentu obrotowego. Rozruszniki typu DOL najlepiej sprawdzają się podczas pracy z napędami o stabilnym zasilaniu sieciowym, które gwarantuje wysoki poziom prądu rozruchowego, w przypadku zastosowań wymagających wysokiego momentu rozruchowego. Z uwagi na zmniejszony moment rozruchowy w układach gwiazda-trójkąt rozruch przy ich użyciu jest wskazany dla silników i obciążeń wymagających małego momentu rozruchowego lub pracujących przy momencie obciążenia zwiększającym się wraz ze wzrostem prędkości, np. silników pomp lub wentylatorów. Ten mechanizm jest także stosowany w przypadku napędów, które nie są obciążane aż do momentu zakończenia rozruchu, np. prasy czy wirówki. Podobnie zachowują się układy łagodnego rozruchu, które umożliwiają rozruch przy zmniejszonym momencie obrotowym, ale w porównaniu z układami gwiazda-trójkąt oferują możliwość płynnej zmiany wartości napięcia regulowanego. Pozwala to na wyeliminowanie udarów prądu i momentu obrotowego w chwili przełączania, co jest typowym zjawiskiem w przypadku układów typu gwiazda-trójkąt.

     

    Producenci silników musieli wdrożyć szereg zmian konstrukcyjnych, aby umożliwić dostosowanie efektywności energetycznej silników do poziomu efektywności klasy IE3. Wiele z wprowadzonych zmian miało swoje przełożenie na charakterystykę elektryczną silnika. Na przykład: użycie grubszych uzwojeń w stojanie i grubszych prętów w wirniku oraz krótszych pierścieni obwodów zwartych przełożyło się na redukcję rezystancji; optymalizacja uwarstwienia pozwoliła na redukcję strat spowodowanych przez błądzące pola magnetyczne, a użycie wysokiej jakości stali zmniejszyło straty związane z histerezą. Ogólnie rzecz ujmując, silniki o wysokiej efektywności wykazują niższą rezystancję, co skutkuje zwiększeniem wartości prądu rozruchowego. Oznacza to, że zmieniają się także wymagania związane z technologią aparatury rozdzielczej, np. stycznikami czy wyłącznikami automatycznymi zabezpieczającymi silnik.

     

    ... wymagają dostosowania współczynników rozruchowych

     

    Jako jeden z największych na świecie ekspertów w dziedzinie technologii bezpiecznego sterowania, ochrony i napędzania silników firma Eaton bardzo uważnie przyjrzała się temu zagadnieniu. Analizie poddano wiele różnych modeli silników pochodzących od bardzo popularnych producentów. Rezultaty przeprowadzonych testów praktycznych i analiz wykazały, że wartości graniczne podane w normie 60947-4-1 dotyczącej styczników i rozruszników silnikowych często nie dorównują tym, które charakteryzują pracę nowych silników klasy IE3. Oznacza to, że w niektórych sytuacjach element zabezpieczający zostanie aktywowany już w czasie normalnej procedury rozruchu silnika, nawet jeśli nie dojdzie do awarii lub zwarcia.

     

    Tym samym współczynnik rozruchu (stosunek szczytowego prądu rozruchowego do prądu eksploatacyjnego) nie może być przyjmowany jako wartość osiem, ale wymaga co najmniej współczynnika dziesięć, aby zapobiec powyższemu zjawisku. Zaleca się także wzięcie pod uwagę tolerancji fabrycznych związanych z danym modelem silnika. Produkty Eaton są zgodne ze współczynnikiem od 12 do 14, aby zagwarantować maksymalne bezpieczeństwo.

     

    Urządzenia sterujące i ochronne Eaton są „IE3 ready”, tzn. gotowe do pracy z klasą IE3

     

    Przy doborze aparatury sterującej i zabezpieczającej dla silnika należy sprawdzić, czy jest ona odpowiednia do pracy z silnikami o wysokiej sprawności. Aby zapewnić zgodność aparatury łączeniowej i zabezpieczającej z klasą IE3, firma Eaton przeprowadziła testy i dostosowała produkowaną przez siebie serię styczników DIL do rozruchu bezpośredniego w ramach prywatnych i publicznych sieci zasilania, a także w zastosowaniach rozruszników gwiazda-trójkąt, układów łagodnego rozruchu serii DS7 oraz przemienników częstotliwości PowerXL DE1. Równocześnie zwiększono progi zadziałania wyzwalaczy zwarciowych w wyłącznikach silnikowych PKZ i PKE. Obecnie trwają prace nad przygotowaniem projektu nowej normy EN 60947‑4‑1 związanej z silnikami IE3.

     

    Podsumowując, można powiedzieć, że oczekuje się znacznego wzrostu zapotrzebowania na przemienniki częstotliwości, będącego skutkiem wzrostu poziomu automatyzacji urządzeń oraz liczby wymogów prawnych związanych z efektywnością energetyczną. Niemniej przemienniki częstotliwości projektowane z myślą o szeregu zastosowań, np. w pompach czy wentylatorach, są często zbyt rozbudowane pod względem technicznym i funkcjonalnym. Komponenty w konwencjonalnych rozrusznikach, np. styczniki i wyłączniki silnikowe, są nadal stosowane w myśl przekonania, że stanowią tanie i efektywne energetycznie rozwiązanie, szczególnie w przypadku zastosowań zakładających stałą prędkość lub niską częstotliwość przełączania. Należy jednak sprawdzić ich przydatność w silnikach klasy IE3. Ich funkcjonalność jest znacznie ograniczona, ponieważ nie umożliwiają jakiejkolwiek regulacji prędkości. Nowy przemiennik częstotliwości DE1 wykorzystuje korzyści oferowane przez oba typy omawianych technologii. DE1 to idealne rozwiązanie w aplikacjach z regulacją prędkości, gdzie nie jest potrzebna rozbudowana funkcjonalność typowa w klasycznych przemiennikach. DE1 może być stosowany w zastosowaniach o stałej prędkości wykluczających użycie silnika IE3 z powodu zmiany wymiarów mechanicznych w stosunku do silnika klasy IE2, jak również w zastosowaniach charakteryzujących się bardzo wysoką częstotliwością rozruchów, która przekłada się na wysokie obciążenie cieplne dla silnika.

     

    Dzięki współpracy z Eaton konstruktorzy maszyn i systemów mogą zoptymalizować swoje produkty w wielu różnych obszarach: maszyny staną się bardziej efektywne energetycznie, a jednocześnie prostsze, mniejsze i bardziej przystępne cenowo.

     

    Heribert Joachim, Senior Project Manager Drives, Eaton

    Oferta: automatyka magazynowa, case study, centrum logistyczne, dystrybucja, logistyka, magazyn, magazynier, operator logistyczny, palety, regały, studia przypadków, system wms, wózek widłowy, wózki widłowe

    Background Image

    Header Color

    :

    Content Color

    :