Monitoring parametrów zasilania silników indukcyjnych gwarancją ich wysokiej wydajności

Na całym świecie rosną ceny energii, dlatego mnożą się rozwiązania zmierzające ku efektywniejszemu jej wykorzystaniu przez zasilane nią urządzenia. Wśród nich znalazły się środki obligatoryjne (regulacje prawne), narzucane odgórnie w celu egzekucji wymaganych oszczędności energetycznych, oraz tzw. rekompensaty (specjalne taryfy), nagradzające użytkowników zużywających mniejsze ilości energii. W obu przypadkach zmniejszenie zużycia energii elektrycznej prowadzi do spadku kosztów eksploatacji urządzeń, ponoszonych przez użytkownika.

Rysunek 1. Wykres ten przedstawia wybrane zjawiska pojawiające się na skutek odchyleń napięcia zasilania silnika od wartości nominalnej (z tabliczki znamionowej)

Pierwszy krok, jaki muszą podjąć zakłady przemysłowe w celu skutecznego zredukowania kosztów energii, jest inspekcja i ocena posiadanych silników elektrycznych – przede wszystkim oszacowanie, ile energii zużywa każdy z nich. W Stanach Zjednoczonych (i nie tylko) właśnie silniki elektryczne pracujące w przemyśle to urządzenia zużywające procentowo największą ilość energii elektrycznej. Każdego roku dziesiątki miliardów kWh są pochłaniane przez silniki elektryczne, co stanowi ponad 25% całej sprzedaży energii elektrycznej w USA.

Najpopularniejsze są wielofazowe silniki indukcyjne, z których ponad 90% to silniki klatkowe. Ze względu na swą popularność w środowiskach przemysłowym i komercyjnym właśnie ten typ silników stanowi największy potencjalny obszar dla wprowadzenia oszczędności, zarówno energetycznych, jak i czysto użytkowych, serwisowych, w całym okresie użytkowania. 

Przeprowadzenie właściwej oceny wpływu silników indukcyjnych na wartość rachunków za energię wymaga posiadania szczegółowej wiedzy o licznych elektrycznych i użytkowych parametrach tych silników. Zainstalowanie na stałe odpowiednich urządzeń monitorujących takie parametry to jedno z najlepszych rozwiązań umożliwiających redukcję zużycia energii, zwłaszcza jeżeli chodzi o elektryczne układy napędowe. Wiedza na temat, jakie parametry monitorować i oceniać, pomoże w uzyskaniu znacznych oszczędności energetycznych.

Monitoring silników elektrycznych

Każdy z silników zainstalowanych w zakładzie przemysłowym pracuje przy pewnym poziomie charakterystycznych dla niego parametrów. Należą do nich:

• parametry, dane zawarte na tabliczce znamionowej,
• napięcie zasilania,
• obciążenie/konkretna aplikacja,
• indywidualny cykl pracy,
• środowisko pracy,
• sąsiadujące urządzenia i obciążenie w sieci zasilania,
• impedancja układu napędowego,
• wiek urządzenia.

Im większa jest wiedza na temat warunków i parametrów pracy danego silnika, tym można uzyskać większe oszczędności związane z kosztami zużywanej przez niego energii elektrycznej. Szczególnie użyteczne są tu zainstalowane na stałe przy napędzie urządzenia monitorujące wybrane parametry, ponieważ to właśnie one umożliwiają zgromadzenie dużej ilości danych na temat pracy napędu w różnym czasie – przekazywanych zarówno w czasie rzeczywistym, jak i gromadzonych w pamięci tych urządzeń (dane historyczne, analizy, trendy). Zasadniczą kwestią, wpływającą bezpośrednio na zużycie energii elektrycznej przez dany silnik, jest dopasowanie do niego właściwej aplikacji. Silniki są bowiem tak konstruowane, by uzyskiwać najwyższy stopień wydajności pracy przy zachowaniu danych i parametrów umieszczonych na ich tabliczce znamionowej. Wybór do danej aplikacji niewłaściwego silnika lub też jego praca przy parametrach różniących się od znamionowych zmniejsza jego osiągi i prowadzi do powstawania dodatkowych strat w systemie energetycznym zakładu. Właściwy system monitoringu parametrów może zidentyfikować najmniejsze nawet symptomy zjawisk powodujących zmniejszenie osiągów napędu, włącznie z odchyleniami parametrów jego pracy od zalecanych parametrów znamionowych (rys. 1).

Gdzie szukać oszczędności?

Bardzo dużo informacji na temat stanu pracy i zasilania każdego silnika elektrycznego, dostępnych jest z poziomu jego terminala łączeniowego. Dysponując danymi znamionowymi zawartymi na tabliczce znamionowej silnika oraz tymi właśnie charakterystycznymi informacjami, można oszacować i ustalić możliwości danego napędu w zakresie uzyskania ewentualnych oszczędności. Do podstawowych parametrów charakteryzujących stan pracy i zasilania każdego napędu należą: napięcie, prąd i częstotliwość dla każdej z faz. Oprócz zebrania danych dotyczących tych właśnie parametrów, urządzenia monitorujące mogą również dostarczyć dodatkowych informacji, niezbędnych do zwiększenia oszczędności energetycznych. Należą do nich:

• wartość współczynnika mocy,
• informacja o zmianach wartości skutecznej napięcia,
• asymetria napięć zasilania,
• obciążenie silnika (informacja oparta na pomiarach prądów silnika),
• poziom zaburzeń harmonicznych,
• zmiany częstotliwości.

Współczesne systemy monitoringu napędów mają również funkcje pomiarów i zapisu danych o temperaturze, ilości uruchomień silnika, ogólnym czasie pracy, a nawet wibracjach napędu, dzięki zastosowaniu odpowiednich, dodatkowych modułów we/wy. 

Poprawa współczynnika mocy

Pierwszym i najbardziej oczywistym sposobem uzyskania oszczędności energetycznych w silniku jest korekta wartości jego współczynnika mocy. Większość systemów monitorujących dostarcza wiele danych związanych bezpośrednio lub pośrednio właśnie z tym współczynnikiem. Należą do nich m.in.:

• współczynniki mocy od przesunięcia fazowego (ogólny i dla każdej z faz),
• rzeczywista wartość współczynnika mocy (ogólna i dla każdej z faz),
• współczynnik mocy odkształceń (ogólny i dla każdej z faz),
• maksimum/minimum współczynnika mocy,
• moc i energia czynna,
• moc i energia bierna,
• moc i energia pozorna.

Jaka jest relacja pomiędzy współczynnikiem mocy a oszczędnościami energetycznymi w napędzie?

Prąd pobierany przez silniki indukcyjne ma dwie składowe: rezystancyjną i indukcyjną (rys. 2). Pierwszą z nich tworzą prądy obciążenia i strat; drugą prądy magnesowania i upływności reaktancyjnej. Przy wykorzystaniu dodatkowej pojemności możliwe jest skompensowanie prądu składowej indukcyjnej. Taka dodatkowa pojemność nie wpływa negatywnie na wartość prądu magnetyzacji oraz upływu. Należy jednak pamiętać, że kompensuje ona prąd indukcyjny dopiero w tym miejscu, gdzie została podłączona do obwodu elektrycznego. Czym większa jest dołączona pojemność, tym kąt φ związany ze współczynnikiem mocy staje się coraz mniejszy, aż do momentu, gdy współczynnik mocy (cos φ) osiąga wartość jeden (φ = 0). W tym momencie taki układ elektryczny znajduje się w stanie maksymalnie efektywnego wykorzystania dostarczanej do niego energii (patrz: przykład 1). Zastosowanie zbyt dużej pojemności dodatkowej w układzie powoduje jego przekompensowanie (φ < 0), co może prowadzić do poważnych komplikacji w jego pracy.

Rysunek 2. Prąd pobierany przez silniki indukcyjne ma dwie składowe: rezystancyjną i indukcyjną, które decydują o wartości współczynnika mocy cosφ 

Asymetria napięć zasilania

Asymetria napięć zasilania to jedna z głównych przyczyn awarii silników oraz podstawowy czynnik wywołujący wzrost powstających w nich strat. Systemy monitoringu wykorzystuje się zazwyczaj do oszacowania stopnia asymetrii w celu poprawy jakości energii, ale mogą posłużyć one również jako źródło informacji o stratach powstających w silniku, spowodowanych niesymetrią napięć fazowych na jego zaciskach łączeniowych (patrz: przykład 2). Koszty związane z tymi stratami są dość pokaźne, a należy je jeszcze zwielokrotnić, biorąc pod uwagę inne napędy przyłączone do tej sieci zasilania i również poddane zasilaniu napięciami niesymetrycznymi.

Niekorzystny wpływ na wydajność pracy napędu elektrycznego mają jeszcze inne zjawiska związane z napięciami zasilania. Na przykład praca silnika przy napięciu zasilania równym 90% jego napięcia znamionowego powoduje około 2,5-procentowy spadek jego wydajności (rys. 1). 

Dzięki zebraniu danych dotyczących podstawowych parametrów silnika urządzenia monitorujące mogą dostarczyć dodatkowych informacji niezbędnych do zwiększenia oszczędności energetycznych napędów.

Harmoniczne pojawiające się na zaciskach łączeniowych silnika wywołują dodatkowe prądy, w tym możliwe prądy kolejności przeciwnej, również zmniejszające wydajność takiego silnika. Dodatkowe straty w silniku mogą być jeszcze spowodowane nawet niewielkimi zmianami wartości częstotliwości w sieci zasilającej.

Wszystkie te wymienione zjawiska dynamiczne w sieci zasilania przyczyniają się do wzrostu strat w silnikach indukcyjnych i związanych z nimi dodatkowych kosztów funkcjonowania napędów w zakładzie.

Dane dostarczane przez systemy monitoringu parametrów, zarówno archiwalne, jak i te spływające w czasie rzeczywistym, są nie tylko kluczem do zlokalizowania silników pracujących nieekonomicznie, ale również mogą dostarczyć użytkownikowi informacji ułatwiających ustalenie możliwych przyczyn takiej właśnie pracy napędów. Dzięki tym systemom możliwa jest również szybka ocena skuteczności działania zainstalowanych układów kompensacyjnych lub zabezpieczających, jak również oszacowanie ewentualnych zysków i zwrotu poniesionych nakładów inwestycyjnych.

UR

Artykuł pod redakcją Andrzeja Ożadowicza

Autor:

Artykuł pod redakcją Andrzeja Ożadowicza