Ochrona silnika

Zabezpieczenia silnika zapewniają jego niezawodną i wydajną pracę. Jak właściwie wybrać układ łagodnego rozruchu startu i przemiennik częstotliwości?

Podczas szybkiego przyspieszania do prędkości znamionowej silniki elektryczne zazwyczaj potrzebują znacznej energii. Zarówno układy łagodnego rozruchu, jak i o zmiennej częstotliwości (VFD) mogą być używane w celu ograniczenia prądów rozruchowych i momentu obrotowego, chroniąc drogie urządzenia i przedłużając czas eksploatacji silnika przez ograniczenie jego nagrzewania podczas częstych załączeń i wyłączeń (czyli rozruchów i zatrzymań). Wybór pomiędzy układem łagodnego rozruchu a VFD często zależy od zastosowania, wymagań systemowych (sieciowych), kosztów zakupu i instalacji, a następnie eksploatacyjnych.

Wydłużanie czasu pracy silnika

Urządzenie do łagodnego rozruchu zawiera elementy półprzewodnikowe, zapewniające ochronę silnika elektrycznego prądu zmiennego od szkód powstających przy nagłym poborze mocy poprzez wprowadzenie ograniczenia dużej, początkowej wartości prądu rozruchowego silnika. Takie rozwiązanie pozwala uzyskać łagodny wzrost prędkości obrotowej do znamionowej i jest stosowane zazwyczaj przy rozruchu, ale także podczas zatrzymania silnika (jeśli występuje taka opcja sterowania). Łagodny rozruch silnika odbywa się przez zasilanie stopniowo narastającym napięciem.

Urządzenia łagodnego rozruchu, znane również jako układy ograniczające napięcie podczas rozruchu (reduced voltage soft starters – RVSS ), stosuje się tam, gdzie:

• wymaga się sterowania prędkością i momentem obrotowym tylko podczas rozruchu i zatrzymania, pod warunkiem wyposażenia układu w taką opcję,
• wymaga się zmniejszenia znacznych prądów rozruchowych występujących w silnikach dużej mocy,
• elementy układu mechanicznego wymagają złagodzenia nagłych zmian momentu obrotowego i napięcia, występujących w czasie normalnego rozruchu, np. transportery, systemy napędów z przekładniami taśmowymi, koła zębate itp.,
• stosuje się pompy do wyeliminowania uderzeń ciśnienia, występujących w rurociągach podczas zmian kierunku przepływu cieczy.

Na czym polega zasada działania urządzenia łagodnego rozruchu? Elektryczne układy napędowe łagodnego rozruchu (rys. 1) w zadanym przedziale czasu zmniejszają napięcie lub pobierany prąd, ograniczając moment obrotowy. Niektóre RVSS mogą korzystać z elementów półprzewodnikowych, które będą kontrolować odpowiedni poziom pobieranej wartości prądu. W praktyce spotyka się rozwiązania od jednofazowych do trójfazowych, ale te ostatnie zazwyczaj mają lepsze parametry.

W celu zmniejszenia napięcia większość z tych urządzeń jest zbudowana w oparciu o szeregowe układy krzemowych tyrystorów SCR. W stanie wyłączenia SCR ogranicza prąd, natomiast w stanie załączenia umożliwia jego przepływ. Elementy półprzewodnikowe SCR pracują tylko w fazie rozruchu, natomiast po osiągnięciu maksymalnej prędkości obrotowej są za pomocą styczników bocznikowane przewodami (bypass), co pozwala na znaczne ograniczenie nagrzewania silnika.

Urządzenia RVSS są często – z punktu widzenia ekonomii – optymalnym wyborem, szczególnie do zastosowań, które wymagają kontroli prędkości obrotowej i momentu obrotowego jedynie w trakcie rozruchu silnika. Dodatkowo stanowią idealne rozwiązanie do zastosowań, gdzie występuje ograniczona ilość miejsca, ponieważ gabarytowo urządzenia RVSS są mniejsze niż przemienniki częstotliwości VFD.

Napędy efektywne energetycznie

Przemiennik częstotliwości VFD jest urządzeniem sterującym, które zabezpiecza i kontroluje prędkość obrotową silnika indukcyjnego prądu przemiennego. VFD może kontrolować prędkość obrotową silnika zarówno podczas etapów rozruchu i zatrzymania, jak również pomiędzy nimi. VFD są wykorzystywane w zastosowaniach, gdzie:

• wymaga się ciągłego sterowania prędkością obrotową,
• zamierza się uzyskać oszczędność w zużyciu energii,
• konieczne jest sterowanie przez użytkownika.

VFD zamieniają energię na wejściu zasilającym na regulowane częstotliwościowo i napięciowo źródło napięcia do sterowania prędkością silników indukcyjnych AC. Częstotliwość napięcia doprowadzanego do silnika prądu przemiennego określa synchroniczną prędkość obrotową silnika ns, na podstawie poniższego równania:

Przykładowo dla silnika czterobiegunowego p=4 pracującego przy częstotliwości 60 Hz po podstawieniu podanych wartości do wzoru można obliczyć synchroniczną prędkość obrotową:

Elementy składowe przemiennika częstotliwości pokazanego na rysunku 2 są następujące:

• zasilanie AC: pochodzi z sieci elektroenergetycznej obiektu (zwykle 480 V, 60 Hz AC, w Polsce 400 V, 50 Hz),
• prostownik: przekształca przemienne napięcie sieci zasilającej na stałe,
• filtr i szyna DC: współpracują w celu wygładzenia przebiegu wyprostowanego napięcia zasilającego, tak aby zapewnić stałe napięcie charakteryzujące się niskim poziomem tętnień do zasilania falownika,
• falownik: wykorzystuje zasilanie prądem stałym z magistrali DC i filtra w celu uzyskania na wyjściu napięcia o kształcie fali sinusoidalnej za pomocą techniki polegającej na modulacji szerokością impulsu (PWM),
• modulacja szerokością impulsu (rys. 3): łączniki półprzewodnikowe falownika, odpowiednio sterowane momentami wyzwolenia, po uśrednieniu wytwarzają przebieg sinusoidalny napięcia.

Zalety korzystania z VFD:

• oszczędność energii,
• zmniejszenie zapotrzebowania na energię maksymalną,
• ograniczenie pobieranej mocy, kiedy nie jest ona wymagana,
• pełne sterowanie prędkością obrotową (pompy, przenośniki i wentylatory),
• sterowanie uruchamianiem, zatrzymaniem i przyspieszaniem,
• dynamiczne sterowanie momentem obrotowym,
• płynna zmiana prędkości, np. windy i schody ruchome,
• nadzorowanie prędkości urządzeń, co pozwala uczynić silniki optymalnym rozwiązaniem dla wyposażenia w przemyśle, np. miksery, szlifierki,
• wszechstronność,
• automatyczna diagnostyka i komunikacja,
• zaawansowana ochrona przed przeciążeniem,
• funkcjonalność podobna jak w sterownikach PLC, możliwość programowania,
• cyfrowe wejścia/wyjścia (DI/DO),
• analogowe wejścia/wyjścia (AI/AO),
• wyjścia przekaźnikowe.

Przemienniki VFD dają największe możliwości oszczędności energii w przypadku napędów wentylatorów i pomp. Metoda regulowanego przepływu zmienia charakterystykę przepływu i znacznie zmniejsza zapotrzebowanie na energię. Urządzenia wirujące (wentylatory odśrodkowe, pompy i sprężarki ) podlegają wzorom zawierającym prędkość, które podano w prawach podobieństwa. Prawa te określają zależność pomiędzy prędkością a zestawem takich zmiennych, jak przepływ, ciśnienie, moc.

Na podstawie praw podobieństwa przepływ zmienia się liniowo z prędkością, podczas gdy ciśnienie jest proporcjonalne do kwadratu prędkości. Z kolei wymagana moc jest proporcjonalna do sześcianu prędkości. Ten ostatni warunek jest ważny, ponieważ podczas zmniejszenia prędkości obrotowej moc urządzenia napędzającego spada w trzeciej potędze.

W przykładzie po prawej stronie silnik pracuje przy 80% prędkości znamionowej. Podana wartość liczbowa po podstawieniu do wzoru pochodzącego z praw podobieństwa pozwala obliczyć wymaganą moc dla innej prędkości:

Na podstawie powyższych obliczeń wymagana moc do napędu wentylatora o prędkości wynoszącej 80% wartości znamionowej stanowi około połowy mocy znamionowej.

Prawidłowy dobór urządzeń

Wybór pomiędzy urządzeniem łagodnego rozruchu lub VFD często zależy od zastosowania. Układy łagodnego rozruchu są mniejsze i tańsze w porównaniu z VFD w aplikacjach wymagających dużych mocy. Przemienniki VFD zajmują więcej miejsca i są zwykle droższe niż urządzenia łagodnego rozruchu. Mówi się, że VFD są droższe w kosztach inwestycyjnych, ale mogą zapewnić oszczędności energii nawet do 50%, pozwalając w ten sposób osiągnąć dodatkowe zyski w czasie eksploatacji.

Sterowanie prędkością obrotową jest dodatkową zaletą VFD, ponieważ zapewnia odpowiedni czas przyspieszania w całym cyklu pracy silnika, a nie tylko podczas rozruchu. Przemiennik VFD w porównaniu do urządzeń łagodnego rozruchu może również zapewnić bardziej niezawodne działanie, między innymi dzięki cyfrowej informacji diagnostycznej.

Należy zauważyć, że VFD może kosztować więcej niż urządzenie łagodnego rozruchu. Dlatego też, jeśli stałe przyspieszenie i moment obrotowy sterowania nie jest konieczne, a dodatkowo wymaga się ograniczenia prądu tylko podczas rozruchu, układ RVSS może być optymalnym rozwiązaniem z ekonomicznego punktu widzenia.

Marek Olesz, Katedra Mechatroniki i Inżynierii Wysokich Napięć, Wydział Elektrotechniki i Automatyki, Politechnika Gdańska

Zasady doboru urządzeń rozruchowych do napędów

W układach napędowych stosuje się zazwyczaj silniki klatkowe ze względu na ich stosunkowo niską cenę i koszt obsługi. Przy rozruchu bezpośrednim silniki te pobierają około 6–10-krotnie wyższą wartość prądu w porównaniu do wartości znamionowej. Występuje wówczas moment rozruchowy ML, który dla silników niewielkiej mocy jest rzędu 1,5–2,5 momentu znamionowego MN, a przy większych mocach (około 250 kW) na poziomie 2–3 MN. W bardzo dużych silnikach moment podczas rozruchu jest niewielki – może być nawet niższy od znamionowego. Dodatkowo występujący moment rozruchowy jest zmniejszany poprzez obciążenie Mo na wale silnika (rys. 1).

Charakterystyki obciążenia Mo(n) zwykle zmieniają się (funkcja liniowa, potęgowa, wartość stała) podczas wzrostu prędkości obrotowej, co może powodować dodatkowe komplikacje w fazie rozruchu, skutkujące przeciążeniem silnika, zadziałaniem zabezpieczeń i jego odstawieniem z ruchu.

W celu ograniczenia znacznych prądów rozruchowych występujących podczas bezpośredniego włączenia do sieci stosuje się układ gwiazda – trójkąt, zmniejszający 3-krotnie zarówno prąd rozruchowy, jak i moment, oraz przemienniki częstotliwości (sterowanie częstotliwością napięcia), a także układy łagodnego rozruchu (sterowanie wartością napięcia).

Dobór układu łagodnego rozruchu lub przemiennika częstotliwości wymaga wykonania odpowiednich analiz momentu oporowego powstającego w czasie rozruchu urządzenia napędzanego. Wybór odpowiedniego urządzenia do zastosowań napędowych może być łatwo wykonany za pomocą specjalistycznego oprogramowania, udostępnianego w Internecie przez różnych producentów. Należy wymienić tu między innymi programy: Prosoft (dobór softstartów – ABB), SoMove Lite (softstarty ATS 22 i falowniki ATV 12, ATV 31, ATV 312, ATV 32 firmy Schneider), Winsoft (dobór parametrów falownika – firma Danfoss).

Na przykład dość duże możliwości doboru urządzenia łagodnego rozruchu daje użytkownikowi darmowy program Prosoft firmy ABB, ponieważ umożliwia wprowadzenie charakterystyki dowolnego silnika na podstawie jego danych katalogowych oraz określenie charakterystyki momentu oporowego układu napędowego. Dla tak zestawionych danych wejściowych program wybiera urządzenia łagodnego rozruchu firmy ABB, generując raport końcowy – dostępny także w języku polskim.

Wybór urządzenia łagodnego rozruchu odbywa się z 4 dostępnych w ABB grup produktów: PSR (kompaktowy), PSS (klasa średnia), PSE (wydajny kompaktowy) PST (B) (rozwiązanie najbardziej zaawansowane technologicznie i funkcjonalnie). Układy te różnią się liczbą funkcji dodatkowych, głównie o charakterze zabezpieczeniowym. Ich liczba gwałtownie wzrasta dla konstrukcji PSE i PST, w których funkcje dodatkowe w prostszych rozwiązaniach stają się standardem (rys. 2).

Poniżej opisano podstawowe cechy funkcjonalne wymienionych układów w celu przybliżenia możliwości, jakie mogą być realizowane:

_PSR – prądy znamionowe 3–105 A, wbudowany stycznik obejściowy redukujący straty, nastawy potencjometryczne, przekaźniki sygnalizacyjne dla stanów „Praca” i „Koniec rozruchu”, odpowiedni algorytm sterowania tyrystorami eliminuje składową stałą, poprawiając osiągi, brak wbudowanych zabezpieczeń – po dodaniu zabezpieczeń silnikowych oprócz łagodnego rozruchu i zatrzymania dysponujemy także zabezpieczeniem przeciążeniowym, zwarciowym oraz rozłącznikiem z przerwą izolacyjną, opcja – komunikacja Fieldbus w protokołach Profibus, Modbus, Devicenet, CANopen.

• PSS – softstarty klasy średniej – prądy znamionowe 18–300 A, prosty i przejrzysty sposób regulacji, dostosowane do pracy bez styczników obejściowych, przekaźnik sygnalizacyjny zakłóceń, przełącznik linia – wewnętrzny trójkąt, stosowane szczególnie przy dużej liczbie rozruchów w ciągu godziny, opcja – ustawienie ograniczenia prądu rozruchowego w przypadku zastosowania dodatkowego, zewnętrznego przekładnika prądowego.
• PSE – wydajne softstarty kompaktowe – prądy znamionowe 18–370 A, praca w trudnych warunkach zewnętrznych, wbudowany stycznik obejściowy, wbudowane elektroniczne zabezpieczenie przeciążeniowe silnika, kontrola momentu dla udoskonalonej regulacji pomp, ograniczanie prądu w zakresie 1,5–7 Ie (prąd znamionowy urządzenia), wyświetlacz wskazuje informacje zarówno podczas uruchamiania/zatrzymywania, jak i w trakcie pracy normalnej, wyjście prądowe do wizualizacji prądu i obciążenia, zabezpieczenie przed niedociążeniem (suchobiegiem) pomp, tryb kick-startu do rozruchu zablokowanych pomp, zabezpieczenie przed blokadą wirnika, zabezpieczenia termiczne tyrystorów, opcje – komunikacyjne, dziennik zdarzeń i zewnętrzny panel sterowniczy,
• PST(B) – zaawansowane układy łagodnego rozruchu – prądy znamionowe w zakresie 18–1050 A, największa liczba funkcji użytkowych, zaawansowane zabezpieczenia silnika oraz sam softstart gwarantują bezproblemową pracę napędu, system wstępnego ostrzegania pozwala na wykrycie zakłóceń jeszcze przed koniecznością zatrzymania silnika i tym samym zapobiega zbędnym przestojom, funkcja kontroli momentu umożliwia użytkownikom eliminację uderzeń wodnych i gwałtownych wzrostów ciśnienia, wyświetlacz LCD z komunikatami tekstowymi w wybranym języku, wstępnie zaprogramowane nastawy dla różnych aplikacji wraz z rejestracją zdarzeń upraszczają proces nastawiania i obsługi, system ABB FieldBusPlug pozwala wybrać odpowiedni protokół komunikacyjny, system FieldBus pozwala nastawiać, sterować i monitorować softstart, rozbudowano system zabezpieczeń zastosowanych w PSE o ochronę silnika przed: asymetrią napięcia, zmianą kolejności faz, nadmiernym wzrostem temperatury w przypadku podłączenia czujnika PTC.

W przypadku doboru urządzenia rozruchowego należy określić charakterystykę obciążenia silnika w funkcji jego prędkości, następnie dobrać takie sterowanie, aby występujący moment rozruchowy zapewnił w czasie rozbiegu odpowiednie przyspieszenie.

Przykładowe charakterystyki momentu oporowego napędu pokazano na rys. 3:

• stały – windy, ciągarki drutu, młyny, przekładnie ślimakowe i pasowe,
• proporcjonalny do kwadratu prędkości obrotowej – pompy odśrodkowe, wentylatory, stery strumieniowe,
• proporcjonalny do prędkości z występującym na początku stałym momentem oporowym typowym dla sprężarek tłokowych i śrubowych, prądnic obcowzbudnych prądu stałego obciążonych rezystancyjnie,
• odwrotnie proporcjonalny do prędkości obrotowej – urządzenia do nawijania i rozwijania taśm, napędy trakcyjne.

W niektórych przypadkach może więc wystąpić konieczność chwilowego przeciążenia falownika lub softstartu, aby uzyskać odpowiednio duży moment rozruchowy konieczny do uruchomienia np. windy. Zaawansowane opcje urządzeń rozruchowych pozwalają wówczas kontrolować poziom momentu oraz prądu, tak aby nie dopuścić do uszkodzenia układu rozruchowego. Dobór urządzenia rozruchowego, np. softstartu, łatwo przeprowadzić we wspomnianym programie ABB Prosoft, wprowadzając typ silnika i charakterystykę momentu oporowego.

Na rysunku 4 pokazano charakterystykę momentu w funkcji prędkości dla silnika o prądzie znamionowym IN=158 A, stosunku prądu rozruchowego do znamionowego IL/IN=7,2, mocy znamionowej PN=90 kW, momencie znamionowym MN=580 Nm, stosunku momentu rozruchowego do znamionowego ML/MN=2,6, stosunku momentu maksymalnego Mk do znamionowego Mk/MN=2,7, momencie bezwładności wirnika JM=1,5 kgm2 znamionowej prędkości obrotowej nN=1483 obr./min, dobranego do napędu o momencie bezwładności Jext=22,5 kgm2. Przecięcie charakterystyki momentu oporowego i napędowego wyznacza punkt pracy silnika określony współrzędnymi (n, M). Z kolei różnica pomiędzy momentem silnika zasilanym z układu łagodnego rozruchu a momentem oporowym układu napędzanego jest momentem dynamicznym, decydującym o czasie rozruchu i przyspieszaniu układu.

Dla tego samego analizowanego przypadku rysunek 5 przedstawia przebieg prądu pobieranego przez silnik w funkcji jego prędkości obrotowej – dla rozruchu bezpośredniego oraz przy zastosowaniu układu łagodnego rozruchu, który ogranicza prąd do wartości 4,8 Ie oraz 3,5 Ie w czasie rozruchu.

Raport obliczeń (patrz tabela obok), oprócz danych wprowadzonych do programu, podaje szczegółowe dane rozruchu oraz dane katalogowe wybranego przez użytkownika z zaproponowanej listy układu łagodnego rozruchu.

W powyższym przypadku jeszcze lepsze charakterystyki napędowe można uzyskać za pomocą falowników, gdzie np. dzięki technice DTC (Direct Torque Control – bezpośrednie sterowanie momentem) otrzymano dokładną regulację prędkości i momentu, a przede wszystkim znakomite parametry statyczne i dynamiczne zbliżone do układów napędowych ze sprzężeniem zwrotnym od wału silnika. Dla przemienników częstotliwości dobór może się odbywać na podstawie prądu silnika, mocy pozornej pobieranej przez silnik lub mocy czynnej, pod warunkiem znajomości współczynnika cosϕ oraz sprawności w funkcji obciążenia.

UR

Autor: Robert Fenton