Michael Lyda – inżynier specjalizujący się w silnikach i napędach elektrycznych – omawia sposoby usprawniania praktyk zarządzania silnikami, szybkiego zwiększania niezawodności procesów oraz zmniejszania kosztów zużywanej energii.

Systemy elektrycznych napędów silnikowych zużywają około połowy energii elektrycznej generowanej na całym świecie. Najprawdopodobniej też i w Waszym zakładzie są one systemami najbardziej energochłonnymi. Zmniejszanie kosztów zużywanej energii poprzez ulepszanie tych systemów może być proste dzięki lepszym praktykom zarządzania silnikami elektrycznymi.

Pytanie: Proszę rozwinąć nieco wspomniany przez Pana temat cyklu życia napędów VFD.

Michael Lyda: Podobnie jak w przypadku silników, żywotność napędów VFD zależy zarówno od warunków otoczenia, jak i obsługi. Napędy VFD powinny pracować w takich temperaturach otoczenia, jakie podano w ich specyfikacji. Nie należy dopuszczać do zapychania otworów wentylacyjnych obudowy. Trzeba się upewniać, że wentylator pracuje tak jak powinien. Odnośnie wentylatorów napędów VFD warto zauważyć, że może się on cyklicznie włączać i wyłączać podczas pracy urządzenia, w zależności od pobieranego prądu. Większy prąd powoduje intensywniejsze nagrzewanie się radiatora falownika, tak więc przy niższych obciążeniach wentylator może się nie włączać. Ponadto istnieją najlepsze praktyki obsługi napędów VFD, których należy przestrzegać. W tej sprawie zalecam skonsultowanie się z producentem urządzenia.

Pytanie: Proszę porównać cykle życia silników indukcyjnych oraz silników z magnesami trwałymi, zasilanych z przemienników częstotliwości.

Michael Lyda: Dostępne na rynku silniki prądu zmiennego z magnesami trwałymi (permanent magnet alternating current – PMAC) są pewną nowością. Chociaż ich konstrukcja jest znana od lat, zwykle były produkowane tylko na specjalne zamówienie. Wielu producentów obecnie posiada je w swoich katalogach, jednak mogą one być dość drogie oraz mieć bardzo długie czasy realizacji zamówień. W naszym laboratorium przeprowadziliśmy testy kilku silników PMAC, ale tylko w celu stworzenia map sprawności (charakterystyk zależności sprawności od prędkości i momentu obrotowego), nie zaś cyklu życia czy niezawodności. Byłbym zainteresowany takimi wynikami, gdybym posiadał dane z testów.

Pytanie: Czy istnieje narzędzie programowe do efektywnego określania rzeczywistej mocy pobieranej przez silnik?

Michael Lyda: Większość urządzeń pomiarowych powinna być sprzedawana wraz z odpowiednim oprogramowaniem. W naszym laboratorium wykorzystujemy precyzyjne analizatory mocy o wysokiej dokładności, produkcji firmy Yokogawa, wraz ze sprzętem do akwizycji danych firmy National Instruments oraz jej oprogramowaniem LabView. Jednym z moich ulubionych mierników, wykorzystywanych do pomiarów i weryfikacji na obiektach, jest Fluke 355. Mierzy on napięcie, prąd oraz współczynnik mocy. Jest droższy od standardowego multimetru, jednak umożliwia poznanie rzeczywistej wartości mocy, ponieważ mierzy też współczynnik mocy.

Pytanie: Zakupiliśmy centralę wentylacyjną o mocy 250 HP (186,4 kW), która będzie wyposażona w napęd VFD. Czy istnieje maksymalna odległość pomiędzy napędem a silnikiem? Czy będą potrzebne filtry wyższych harmonicznych?

Michael Lyda: W przypadku tej specyficznej aplikacji zalecałbym konsultację z producentem napędu. Jego eksperci mogą udzielić najlepszych porad na temat długości kabli oraz wymaganego dodatkowego sprzętu, czy to filtra wejściowego, dławika tłumiącego DC, filtra wyjściowego, czy też innych.

Pytanie: Jaka jest maksymalna długość kabla pomiędzy silnikiem AC a napędem VFD?

Michael Lyda: Wszystko to zależy od aplikacji. Im krótsze kable, tym lepiej, ponieważ dłuższe mogą spowodować większe piki napięcia na zaciskach silnika. Należy w takich sprawach skonsultować się z producentem napędu VFD – osobno dla każdego przypadku.

Pytanie: Jakie są różnice pomiędzy „przekaźnikiem zarządzającym silnikiem” a „przekaźnikiem zabezpieczającym silnik”?

Michael Lyda: W tej dziedzinie mam ograniczone doświadczenie, jednak myślę, że przekaźnik zabezpieczający silnik to zabezpieczenie przeciążeniowe, które działa tylko w zależności od prądu. Przekaźnik zarządzający silnikiem (przekaźnik silnikowy – przyp. tłum.) jest bardziej złożony i może monitorować zarówno prąd, jak i napięcie. Takie urządzenie może monitorować kolejność faz, wartości napięć oraz asymetrię napięć. Firma Advanced Energy w przeszłości przeprowadziła testy i badania tych dwóch typów zabezpieczeń: monitorujących kolejność faz oraz zwykłych przeciążeniowych. 

Pytanie: Czy przy obliczaniu przeciążenia mechanicznego powinniśmy uwzględnić współczynnik przeciążalności silnika?

Michael Lyda: Współczynnik przeciążalności silnika (ang. service factor, wg Nema mnożnik mocy znamionowej silnika – przyp. tłum.) dotyczy sytuacji krótkotrwałych. Jeśli silnik pracuje ze zwiększoną mocą (np. ze współczynnikiem przeciążalności 1,15 czy 1,25) w sposób ciągły, to prawdopodobnie nie będzie miał takiej żywotności, jak w przypadku pracy z obciążeniem znamionowym.

Pytanie: Proszę odnieść się do wentylatorów w napędach VFD. Jaka jest minimalna prędkość obrotowa wymagająca zainstalowania oddzielnego wentylatora do chłodzenia silnika sterowanego przez napęd VFD? Czy instalowanie napędów VFD wpływa na współczynnik mocy fabryki?

Michael Lyda: Będzie to wymagało przeanalizowania osobno dla każdej aplikacji. Silniki przeznaczone do pracy z przemiennikami częstotliwości powinny mieć podane wartości stałego momentu obrotowego (constant torque – CT) i zmiennego momentu obrotowego (variable torque – VT) na tabliczkach znamionowych. Tak długo, jak obciążenie mieści się w tych granicach, dodatkowe chłodzenie (chłodzenie obce – przyp. tłum.) nie powinno być potrzebne. W przypadku pracy silnika poza tymi zakresami prędkości czy momentu należy skonsultować się z producentem silnika. Instalowanie napędów VFD, które mają charakter pojemnościowy, wpływa na system, tak więc jeśli w danej chwili mamy obciążenie głównie indukcyjne (czyli wiele pracujących silników), to prawdopodobnie ogólny współczynnik mocy zakładu ulegnie poprawie. Jeśli głównymi obciążeniami w zakładzie jest oświetlenie, inne odbiorniki pojemnościowe lub odbiorniki czysto rezystancyjne, to napędy VFD nie poprawią współczynnika mocy, a nawet mogą go pogorszyć.

Pytanie: Czy silnik przewymiarowany, sterowany przez napęd VFD, także wykazuje niższy współczynnik mocy?

Michael Lyda: Trudno powiedzieć. Silnik, który jest przewymiarowany dla aplikacji, generalnie wykazuje niski współczynnik mocy, ponieważ prąd magnesujący odgrywa większą rolę w całkowitym prądzie pobieranym. Jeśli jednak dodamy napęd VFD, to pojemność systemu znacznie wzrośnie, tak więc współczynnik mocy będzie zwiększony dla wszystkich obciążeń. Chociaż nie jestem pewien o ile. Aby uzyskać lepszą odpowiedź na to pytanie, można by wykorzystać jakieś dane z testów.

Pytanie: Jeśli zainstalowany jest rezerwowy silnik i pompa, to jaka jest najlepsza praktyka obsługi tych urządzeń rezerwowych?

Michael Lyda: Popularny jest tu proces naprzemiennego włączania pomp (ang. lead-lag). Jeśli mamy silnik/pompę rezerwową, to możemy ich używać zamiennie z głównym, aby zapewnić równomierne zużywanie się obu maszyn w czasie. Każda z tych kombinacji silników/pomp może być rezerwową, a następnie pracować w dowolnym czasie wybranym przez użytkownika – przez tydzień, miesiąc czy inny okres.

Pytanie: Czy silniki elektryczne do napędów pasowych wymagają łożysk igiełkowych zamiast standardowych łożysk walcowych?

Michael Lyda: Łożyska igiełkowe zwykle są stosowane w aplikacjach o bardzo wysokich prędkościach obrotowych lub bardzo małym obciążeniu. Są one bardziej rozpowszechnione w przemyśle motoryzacyjnym. Silniki elektryczne do napędów pasowych powinny mieć łożyska walcowe, a nie standardowe łożyska kulkowe.

Pytanie: Czy typowe jest powstawanie zakłóceń elektrycznych (np. powodujących problemy z regulatorami i sterownikami) na skutek zainstalowania napędów VFD?

Michael Lyda: Tak, to może być całkiem powszechny problem. Jest to jedną z przyczyn zalecania specjalnych kabli do wszelkich połączeń napędów VFD z silnikami. Większość producentów falowników zaleca takie rozwiązanie, zaś kable te są droższe od standardowych, jednak dzięki ich wykorzystaniu można uniknąć pewnych problemów z zakłóceniami.

Pytanie: Jak dokonujemy przeliczania parametrów znamionowych silnika przeznaczonego do pracy w temperaturze otoczenia 115°F (46,1°C), panującej w stanie Teksas (USA), plus dodatkowe 10°F w kotłowni (czyli razem 125°F = 51,2°C)? Potrzebuję silnika do pracy w temperaturach otoczenia do 55°C, jednak nie jest on normalnie dostępny.

Michael Lyda: Myślę, że jeśli Pana silnik pracuje w temperaturze otoczenia wyższej od znamionowej, to powinien Pan przeliczyć dopuszczalny przyrost temperatury uzwojeń. Innymi słowy, jeśli miałby Pan silnik z izolacją klasy F, pracujący w temperaturze otoczenia 40°C, to przyrost temperatury uzwojeń powinien maksymalnie wynieść 105°C. Podniesienie się temperatury otoczenia aż do 55°C oznaczałoby, że dopuszczalny przyrost temperatury powinien być obniżony do 90°C lub mniej. Jeśli chodzi o obniżanie mocy wyjściowej, to nie mam pojęcia. Myślę, że producent powinien udzielić Panu rady na ten temat. Jeszcze jedna rada, która może się sprawdzić. Jeśli obecnie wykorzystuje Pan silnik z izolacją klasy F, to wymiana go na silnik z izolacją klasy H (dopuszczalny przyrost temperatury uzwojeń 125°C – przyp. tłum.) może umożliwić Panu eksploatację urządzenia w wyższej temperaturze dopuszczalnej.

Pytanie: Mój zakład energetyczny dostarcza energię o dużej asymetrii napięć (czasami nawet 5%). Może Pan doradzić coś, jak przekonać ich do poprawienia tego i jaki może być koszt utrzymywania się obecnej sytuacji, jeśli chodzi o przedwczesną awarię silnika?

Michael Lyda: W umowie o dostarczanie energii elektrycznej zakład powinien być zobowiązany do utrzymywania lepszego standardu jakości energii, niż asymetria napięć wynosząca 5% (większość umów, jakie analizowałem, podawała 2–3 %). Skontaktowałbym się z nimi bezpośrednio, aby przysłali fachowca z uprawnieniami, który pomierzy i zweryfikuje napięcia w Pańskim zakładzie. Jeśli odmówią, to będziecie musieli sami dokonać pomiarów i weryfikacji albo wynająć jakąś firmę zewnętrzną. Jeśli wasze silniki pracują przy tak wysokiej asymetrii przez dłuższy czas, to doprowadzi to do poniesienia kosztów w jakimś odległym terminie. W przemyśle popularne jest powiedzenie „asymetria prądów 7% na każdy 1% asymetrii napięć”. Przy asymetrii napięć równej 5% prawdopodobne jest, że co najmniej jeden z prądów fazowych znajduje się znacznie powyżej wartości znamionowej dla każdego rzeczywistego silnika.

Pytanie: Ile energii pobiera silnik o mocy 50 HP (37,3 kW) przy pracy bez obciążenia? Czy ma sens wyłączanie takiego silnika, gdy nie napędza on maszyny? A co ze zużywaniem się podzespołów, wynikającym z częstych rozruchów?

Michael Lyda: Przy braku obciążenia silnik o mocy 37,3 kW prawdopodobnie pobiera 1–2 kW (przy bardzo małym współczynniku mocy). Jednak prawdopodobnie nie chce Pan całkowicie wyłączać tego silnika, jeśli aplikacja wymaga częstych rozruchów. Jest to sytuacja, w której realnie pomóc może napęd VFD oraz automatyka sterująca procesem. Gdy obciążenie nie jest wymagane, falownik spowoduje obniżenie prędkości obrotowej silnika aż do zatrzymania, a następnie, gdy zajdzie potrzeba włączenia, falownik może zwiększyć prędkość obrotową silnika bez pobierania ekstremalnie wysokiego prądu rozruchowego (co ma miejsce przy zwykłym podłączeniu silnika do sieci).

Pytanie: Kiedy zwraca się całkowicie koszt zakupu układu softstartu do silnika? Czy jest jakieś zalecenie wykorzystania softstartów na podstawie mocy silnika?

Michael Lyda: Nie jestem pewien. Myślę, że jest to specyficzne dla konkretnego zakładu i aplikacji, zależne od mocy transformatora zasilającego oraz częstotliwości uruchamiania silników w całym zakładzie. Układy softstartu mogą przynosić zyski, jeśli wykorzystywane są tylko do ograniczania prądów rozruchowych. Aby jednak uzyskać realne oszczędności energii, należy zamiast tych układów zakupić i zainstalować (oraz zaprogramować) napęd VFD.

Pytanie: Wspomniał Pan, że przewymiarowany silnik elektryczny ma za małą sprawność. Czy napęd VFD rozwiązuje ten problem poprzez dopasowanie obciążenia?

Michael Lyda: Dla aplikacji o zmiennym obciążeniu można zastosować i zaprogramować napęd VFD, aby zmniejszyć prędkość obrotową silnika, gdy wymagane są mniejsze obciążenia. Zmniejszanie prędkości obrotowej maszyny przynosi oszczędności energii na podstawie reguł podobieństwa. Jeśli jednak zaczyna się konfigurowanie napędu elektrycznego od początku, falownik i silnik powinny zostać jak najdokładniej dopasowane do wymaganego obciążenia w celu uzyskania maksymalnej sprawności energetycznej. Należy pamiętać, że większy silnik ma większy prąd magnesujący niż silnik mały. Na przykład, jeśli obciążenie wymaga mocy 5 HP (3,73 kW) i zastosuje się do napędu silnik o mocy 10 HP (7,46 kW), to nie uzyska się takiej sprawności, jaka powinna być przy obciążeniu wynoszącym tylko 50%. Pobór energii jest zwiększony na skutek poboru większego prądu.

Pytanie: Jaki jest współczynnik mocy mierzony na wejściu napędu VFD?

Michael Lyda: Napędy VFD generalnie poprawiają współczynnik mocy systemu, ponieważ pojemność kondensatorów tych urządzeń dokonuje „przesunięcia” indukcyjności silnika oraz linii zasilających. Jeśli falownik jest prawidłowo dobrany do silnika, zaś silnik ten pracuje w pobliżu pełnego obciążenia, to współczynnik mocy powinien być wysoki. Jednak nie wszystkie produkowane napędy VFD są takie same. Przez lata swojej praktyki widziałem wiele napędów, które wykazywały kiepski współczynnik mocy po stronie zasilania.

Pytanie: Jak napędy VFD skracają żywotność silników? Czy do współpracy z tymi napędami powinny być wykorzystywane silniki o specjalnej izolacji?

Michael Lyda: Napędy VFD mogą skracać żywotność silników na wiele sposobów. Kilka z nich przedstawiłem na prezentacji. Napędy mogą powodować przegrzewanie silnika. Na podstawie doświadczenia w pracy w laboratorium mogę powiedzieć, że gdy silnik jest zasilany z sieci o częstotliwości 60 Hz bezpośrednio, a następnie zasilany z częstotliwością 60 Hz z falownika, to można oczekiwać wzrostu temperatury o 10–15°C. Do pracy z napędami VFD zalecam wykorzystywanie silników z izolacją co najmniej klasy F, a może nawet klasy H. Ponadto należy się upewnić, że silnik jest przeznaczony do pracy z przemiennikami częstotliwości (ang. inverter-duty motor).

Pytanie: Czy producenci napędów VFD są w stanie podać informacje o harmonicznych generowanych przez ich produkty w celu symulacji raportów na temat zniekształceń harmonicznych dla zakładów energetycznych? 

Michael Lyda: Na harmoniczne w bardzo dużym stopniu wpływa zarówno moc, jak i napięcie zasilające w zakładzie. Jeśli producent napędu VFD zna moc oraz impedancję transformatora zasilającego zakład oraz precyzyjne napięcie wejściowe zainstalowanego tam napędu, to powinien być w stanie dostarczyć informację o zawartości harmonicznych dla swojego produktu. Jeśli chcemy poznać wartości harmonicznych publikowane dla aktualnie produkowanych napędów VFD, to powinniśmy zapoznać się z certyfikowaną przez Stowarzyszenie AHRI (Air-Conditioning, Heating and Refrigeration Institute, amerykańskie stowarzyszenie handlowe producentów z branży klimatyzacji, ogrzewania i chłodnictwa) listą dotyczącą producentów napędów VFD.

Pytanie: Co oznacza pojecie „krótki” w odniesieniu do kabla łączącego napęd VFD z silnikiem?

Michael Lyda: Niestety, jest to pojęcie względne. W każdym wypadku im krótszy kabel, tym lepiej. Standard NEMA MG-1 („Silniki i Generatory”) podaje zalecenia w celu ograniczenia wartości stromości napięcia (dU/dt). Wartość tej stromości jest lepsza do oceny jakości połączenia napędu VFD z silnikiem, niż tylko sama długość kabla.

Pytanie: Czy zna Pan dobre dane ogólne dotyczące sprawności silników zasilanych przez napędy VFD przy różnych obciążeniach oraz prędkościach obrotowych?

Michael Lyda: Dane dotyczące sprawności przy zasilaniu z napędów VFD są trudne do znalezienia, chociaż wykonujemy często tego typu testy w naszym laboratorium. Niestety, większość wyników jest własnością firm zlecających te testy. Jeśli zajrzy Pan do wspomnianej, certyfikowanej przez AHRI listy producentów VFD, to znajdzie Pan tam wartości sprawności systemu, które ci producenci opublikowali dla swoich produktów współpracujących z silnikami.

Pytanie: Czy napęd VFD może być podłączony do każdego silnika 3-fazowego za pomocą kabla 3-żyłowego?

Michael Lyda: Ogólnie mówiąc, tak. Jednak należy się upewnić, że napęd jest dopasowany do wartości znamionowych napięcia, prądu i częstotliwości silnika. Zwykłe zainstalowanie napędu VFD do pracy w aplikacji nie przyniesie wielu korzyści. Zalecałbym przed użyciem napędu VFD zainstalowanie silnika przystosowanego do pracy z przemiennikami częstotliwości. Ponadto dobrą praktyką jest uziemienie wału oraz wykorzystanie silnika z izolacją klasy F. Na koniec napęd VFD powinien być po zainstalowaniu poprawnie zaprogramowany, aby zweryfikować, czy uzyskuje się prawidłowe sterowanie procesem oraz pożądane oszczędności energii.

Pytanie: Znajdujemy obecnie dużą liczbę zestawów sprzętowych, które wykorzystują wiele silników indukcyjnych w aplikacjach, w których obciążenie zmienia się od zera do pełnego, zaś silnik jest często włączany w krótkich przedziałach czasowych. Mierniki pokazują bardzo złą wartość współczynnika mocy, wahania napięcia oraz niepożądane harmoniczne. Rozwiązania, które pasują do tego istniejącego schematu sterowania i przestrzeni fizycznych, stanowią wyzwanie. Może Pan coś powiedzieć na ten temat?

Michael Lyda: Czy Pański zakład obecnie wykorzystuje napędy VFD? Jeśli nie, to warto to zmienić. Napędy te mogą poprawić nieco współczynnik mocy oraz zmniejszyć wahania napięcia, przy jednoczesnym utrzymywaniu niższych prądów rozruchowych indywidualnych silników. Dwiema opcjami są tu: wykorzystanie jednego napędu VFD do sterowania wieloma silnikami lub wykorzystanie wielu napędów oraz programowalnego sterownika logicznego (PLC).

Firma Advanced Energy oferuje szkolenia przeprowadzane w ciągu całego roku. Współpracujemy z zakładami energetycznymi, rządem oraz wieloma różnymi organizacjami prywatnymi na rynku obiektów mieszkalnych, handlowych i przemysłowych, paneli solarnych, silników i napędów elektrycznych oraz transportu elektrycznego. Nasze dostosowane do użytkownika usługi obejmują: badania, testy, szkolenia, doradztwo oraz tworzenie programów oszczędzania energii. W celu otrzymania informacji o nadchodzących szkoleniach proszę o przesłanie adresu e-mailowego, a ja dodam daną osobę do listy newsletterów.