Pomysł wymiany układów napędowych kiełkuje w głowach inżynierów zwykle z dwóch powodów: albo zainstalowane w zakładzie napędy pracują prawidłowo, ale użytkownik chce, by miały one wyższą sprawność lub też po prostu ulegają one awarii. W tym drugim przypadku należy zastanowić się dokładnie, czy warto je naprawiać, czy też lepiej zakupić nowe, zwykle nowocześniejsze i bardziej wydajne. Po pierwsze trzeba wziąć pod uwagę możliwe oszczędności energetyczne. Według Amerykańskiego Departamentu Energii silniki i maszyny elektryczne stanowią aż 64% ogólnej liczby odbiorników energii w sektorze przemysłowym. Spora grupa urządzeń o dość wysokim potencjale możliwych oszczędności w zużyciu energii to agregaty klimatyzacyjne, w których oszczędności można uzyskiwać przy stosunkowo niskich nakładach finansowych.
Jeżeli posiadacie Państwo dużą liczbę napędów w tzw. tradycyjnym wykonaniu (wszystkie silniki wyprodukowane przed październikiem 1997 r.), które przepracowały już znaczną liczbę godzin, nie warto nawet czekać na ich awarię, ale od razu decydować się na wymianę. Większość analiz i ekspertyz dotyczących napędów z silnikami prądu przemiennego wskazuje, że koszt zakupu i instalacji stanowi jedynie ok. 2% całkowitych kosztów ich utrzymania w czasie cyklu życia takiej maszyny, który szacowany jest średnio na 28 lat; w tym czasie koszt energii zasilającej silniki znacznie przewyższa wspomniane koszty początkowe. Na rynku dostępnych jest wiele darmowych programów obliczeniowych i symulacyjnych, pozwalających użytkownikowi napędów oszacować, jak nawet kilkuprocentowy wzrost sprawności nowego silnika przełoży się bezpośrednio na oszczędności w kosztach jego zasilania i utrzymania, w stosunku do tzw. silników tradycyjnych.
Kolejnym elementem prowadzącym do oszczędności w eksploatacji napędów jest unikanie ich przewymiarowania w stosunku do obciążenia w aplikacji, w której będą stosowane. Niestety przewymiarowanie takie jest dość częste. Aby ustalić, czy dany napęd jest przewymiarowany, wystarczy zmierzyć prąd pobierany przez niego przy pełnym obciążeniu aplikacyjnym i porównać go z prądem znamionowym silnika, widocznym na tabliczce znamionowej. Na przykład prąd znamionowy silnika o mocy 19 kW szacowany jest zwykle na ok. 34 A. Jeżeli więc przy wspomnianych pomiarach prądów stwierdzi się, że dany silnik przy pełnym obciążeniu pobiera jedynie prąd o wartości 27 A, w takim przypadku możliwe jest zastąpienie silnika mniejszym (np. 15 kW). Warto przy tym pamiętać, że wskaźniki wydajności (sprawności) maszyn elektrycznych podawane są w dokumentacji dla ich pracy w warunkach znamionowego obciążenia i prędkości. Jeżeli parametry te są mniejsze, pogorszeniu ulega również sprawność silnika.
Silniki wykorzystywane w systemach klimatyzacji i ogrzewania HVAC często są przewymiarowane, a na uzasadnienie tego faktu podaje się liczne przyczyny i czynniki. Niejednokrotnie większe silniki dobierane są przez projektantów budynków czy obiektów już na etapie ich projektowania, w celu uzyskania większego bezpieczeństwa instalacji. Trzeba jednak pamiętać, że większość takich systemów, które już funkcjonują, była opracowywana kilka lat temu, kiedy energia elektryczna była stosunkowo tania i w związku z tym koszty utrzymania instalacji HVAC nie były dla projektantów kwestią priorytetową. W niektórych przypadkach spadek obciążenia systemów HVAC może być również spowodowany remontami w starszych budynkach, wymianą niektórych urządzeń na nowsze. Niebagatelne znaczenie ma również zmienna częstotliwość przebywania w niektórych pomieszczeniach, modyfikacje rozmieszczenia boksów np. w biurach typu open space i inne zmiany wprowadzane sukcesywnie w budynkach, w stosunku do pierwotnych założeń projektowych.
Rozważając możliwość wymiany silników na mniejsze w takich aplikacjach, szczególną uwagę zwrócić należy na częstotliwość wykorzystania pomieszczeń i obecność osób, tak by nie doprowadzić do obniżenia komfortu ich pracy. Jeżeli wstępne analizy przewidują jej utrzymywanie się na względnie niezmiennym poziomie, można posunąć się o krok dalej i poświęcić więcej uwagi prędkości obrotowej wykorzystywanych silników. Wentylatory i pompy odśrodkowe są ze swej natury układami o sporej dynamice. Np. wymiana silnika z prędkością znamionową 1750 obr./min na silnik 1765 obr./min przekłada się znacząco na ilość tłoczonego/wywiewanego powietrza oraz niezbędną do zasilania energię. Prędkość nowego silnika należy dobrać tak, by pracował on jak najbliżej prędkości nominalnej przy pełnym obciążeniu w danej aplikacji. Za zmianą prędkości obrotowej silnika (wzrostem lub obniżeniem) podąża bezpośrednio zmiana jego mocy znamionowej i to w trzeciej potędze wartości tej prędkości. Na przykład wzrost prędkości obrotowej o 10%, wymaga aż 33% wzrostu mocy silnika ((1,1)3 = 1,33). Na pocieszenie pozostaje fakt, że przy zastosowaniu nowszej technologicznie maszyny, nawet o nominalnie wyższej mocy, uzyskuje się pewne oszczędności w zakresie jej eksploatacji w stosunku do starszych, wysłużonych już silników.
Jeśli wystąpi awaria
Jeżeli jakiś silnik ulegnie awarii, przed przystąpieniem do jakichkolwiek działań związanych z jego naprawą lub wymianą należy najpierw dokładnie zdiagnozować jej przyczyny. Okazuje się bowiem, że przyczyną ponad 50% awarii napędów są uszkodzenia znajdujących się w nich łożysk tocznych. Jeżeli w jakimś zakładzie obserwuje się wiele niespodziewanych awarii związanych z łożyskami w maszynach, można założyć, że występuje tam jakiś stały, wywołujący je czynnik, którego nie uda się wyeliminować poprzez przezwajanie silników czy ich wymianę.
Dobrym przykładem może być zakład, gdzie występowała nadzwyczajna liczba awarii napędów związanych z uszkodzeniami łożysk; zbyt duże naprężenia pojawiały się tam na przekładniach pasowych. Na skutek tych naprężeń obciążenie maszyn zmieniało się, przeciążało układy przekładni jednostronnie, powodując szybsze zużywanie się niektórych łożysk.
Kolejna możliwa przyczyna awarii silników to ich niedopasowanie do danej aplikacji. Na przykład silniki z obudowami niehermetycznymi nie są odpowiednie do montażu na wolnym powietrzu czy w zakładach przemysłowych zlokalizowanych u wybrzeży mórz lub oceanów. W takich przypadkach znacznie lepiej zachowają się silniki w obudowach hermetycznych, z odpowiednimi certyfikatami chemicznymi itp.
Silniki ulegają również często awariom na skutek przegrzania. Szacuje się, że długotrwały wzrost temperatury pracy silnika o 10°C zmniejsza jego żywotność o 50%. Np. silniki pracujące w pobliżu bojlerów lub narażone na pracę w wyższych temperaturach na skutek innych, podobnych czynników, pracować będą znacznie krócej od innych tego typu napędów, pracujących z normalnej temperaturze, niezależnie od tego, czy są to silniki nowe, czy na przykład przezwajane, remontowane itp. W takich aplikacjach należy stosować silniki z wysokiej klasy izolacjami termicznymi lub ze specjalnymi, wzmacnianymi obudowami lub z dodatkowymi układami chłodzącymi (powietrznymi lub cieczowymi).
Jeżeli możliwe jest wykluczenie wszelkich czynników systemowych i aplikacyjnych oddziałujących na napęd i powodujących jego awarię, dopiero wówczas warto rozważać, czy dany napęd naprawiać czy wymienić. W przeszłości w środowisku napędowców wyznawano jedną podstawową zasadę – jeżeli szacowane koszty remontu i przezwojenia silnika wynoszą więcej niż 57% wartości nowego napędu, warto zdecydować się na jego zakup i wymianę. Obecnie poziom ten zwiększył się do około 60%. Skąd ten wzrost? Zdecydowało o tym kilka kwestii:
• wzrost cen energii elektrycznej,
• osiągnięto znaczny postęp w technologii przezwajania silników; dawniej po przezwojeniu sprawność silnika zmniejszała się zwykle od 1% do 5%, w chwili obecnej nie jest to już prawdą,
• próg 57% oszacowano dla średniego rocznego czasu pracy silników na poziomie 2000 godzin; obecnie większość napędów w aplikacjach HVAC pracuje rocznie przynajmniej przez 3500 godzin.
Stosując nowa zasadę 60%, należy wziąć pod uwagę kilka kwestii:
• liczbę godzin pracy napędu w ciągu roku,
• lokalne ceny energii elektrycznej za kWh,
• dostępność korzystnych taryf podatkowych,
• dostępność ulg i preferencyjnych warunków finansowych.
Zasadniczo w większości przypadków bardziej opłacalny jest remont i przezwojenie maszyny, szczególnie gdy spełniony jest choćby jeden z wymienionych niżej warunków (dla silników 11 kW i większych):
• zainstalowany silnik cechuje się bardzo wysokim współczynnikiem sprawności i ewentualna jego wymiana nie zagwarantuje jego znacznego wzrostu,
• usługodawca remontujący silnik gwarantuje, że remont nie zmniejszy jego współczynnika sprawności,
• silnik wykorzystywany jest stosunkowo rzadko – mała liczba godzin pracy na rok,
• silnik ma moc 100 i więcej kW i ma wysoką sprawność lub jest rzadko wykorzystywany.
Dla silników o mocach mniejszych niż 11 kW zwykle koszt zakupu nowej maszyny jest porównywalny lub mniejszy niż koszt ewentualnego remontu wraz z przezwajaniem.
Czynniki przemawiające za stosowaniem napędów o regulowanej częstotliwości i prędkości
Wiele ze stosowanych obecnie silników elektrycznych sterowanych jest za pośrednictwem falowników umożliwiających zmianę częstotliwości i prędkości napędów. Mnóstwo tego typu silników działa w oparciu o modulację szerokości impulsów (PWM) prądów zasilających, nie wykazując żadnych symptomów awarii w czasie nawet wieloletniej eksploatacji. Wykonane są one zwykle w standardzie NEMA B, którego specyfikacja opisana jest w dokumencie NEMA MG1. W rozdziale 31 tej publikacji zawarto wytyczne projektowania falowników, szczególnie rygorystyczne w zakresie doboru i wykonawstwa izolacji, która powinna wytrzymać chwilowe wartości szczytowe napięć na poziomie 1600 V. Wysokie wymagania dotyczą również wytrzymałości na nagłe, gwałtowne zmiany napięć, charakterystyczne dla większości współczesnych falowników sterujących napędami. Szybkość tych zmian opisuje się zwykle ilorazem zmiany wartości napięcia w stosunku do czasu, w jakim ona następuje (dU/dt) [V/µs].
Gwałtownie narastające impulsy modulacji PWM pojawiające się na wyjściu falowników mogą wywoływać zjawiska zwane powszechnie odbiciem napięcia lub falą stojącą. Podejmując decyzję o naprawie lub wymianie napędu, warto zastanowić się nad zamianą silników standardu NEMA B na napędy z falownikami. Niestety, trzeba pamiętać, że przewody zasilające silniki mogą przyczyniać się również do powstawania i potęgowania wspomnianych wcześniej niekorzystnych zjawisk odbicia napięcia, oczywiście w ścisłej zależności od algorytmu przełączania falownika, rozmiarów i mocy silnika, a w przypadku napędów małych od typu przewodnika wykorzystanego w przewodach instalacji zasilającej. Dla silników o mocy do 35 kW na napięcie 460 V zaleca się instalowanie napędów VFD, jeżeli długość kabli zasilających wynosi przynajmniej 760 m, zaś dla silników o większych mocach – jeżeli długość kabli przynajmniej 1500 m. Warunki i sensowność instalacji napędów typu VFD zawsze należy skonsultować z ich dostawcą lub producentem. W wielu opracowaniach bowiem wspomniane powyżej limity długości kabli są znacznie większe – odpowiednio 1500 m i 3000 m, uwzględniając najnowsze rozwiązania techniczne w napędach o zmiennej częstotliwości.
Napędy VFD to grupa urządzeń o ustalonej już pozycji rynkowej, w której wszelkie przełomowe zmiany technologiczne następują dość sporadycznie. W wielu przypadkach może więc się okazać, że decyzja o tym, czy w danej sytuacji reperować czy wymieniać napęd, zostanie podjęta niezależnie od użytkownika. Niejednokrotnie dostawcy napędów informują go bowiem o tym, że zaprzestali już wsparcia technicznego dla pewnych napędów i mogą zaoferować jedynie nowe rozwiązania, a więc wymianę silników.
Technika mikroprocesorowa podlega obecnie ciągłej ewolucji. To nie jest być może dobre usprawiedliwienie dostawcy, który chce sprzedać użytkownikowi nowe układy napędowe, jednak trzeba pamiętać, że najnowsze technologicznie mikroprocesory obsługujące falowniki i sterowniki napędów, po ich zainstalowaniu mogą nie funkcjonować poprawnie i nie podjąć współpracy ze starszymi, stosowanymi wcześniej mikrokontrolerami. Niejednokrotnie okazuje się również, że starszego typu mikroprocesory, choć są dostępne na rynku, to jednak prawa do ich produkcji i dystrybucji sprzedano niewielkim, niszowym firmom, dyktującym własne, niekorzystne zwykle dla odbiorcy ceny tych układów. Trzeba jednak podkreślić, że i one coraz częściej rezygnując z produkcji starszych mikrokontrolerów, organizują wyprzedaże i wówczas producenci czy dostawcy napędów, za niewielką opłatą mogą nabyć sporą liczbę takich układów, zabezpieczając się na dłuższy czas.
Jednakże coraz bliższe wydają się już czasy, kiedy producenci i dostawcy napędów typu VFD nie będą w stanie wspierać obsługi technicznej napędów starszego typu i będą definitywnie zmuszeni do zaoferowania swoim klientom tylko nowych produktów wraz z wymianą urządzeń przestarzałych.
Na zakończenie jeszcze kilka kwestii i czynników, jakie należy mieć na względzie, reperując czy wymieniając napędy typu VFD:
• Czy w aplikacji(-ach) zainstalowane są przekształtniki napięciowe starego typu? Zwykle charakteryzują się one współczynnikiem sprawności o 3% do 5% niższym niż nowoczesne napędy VFD, oparte na technologii modulacji PWM. Ponadto starsze napędy przekształtnikowe mają zmienny (obniżający się) wraz z prędkością współczynnik mocy. Dlatego też, jeżeli silnik taki pracuje z prędkością wynoszącą 50% prędkości znamionowej, jego współczynnik mocy, a więc i wykorzystanie mocy dostarczanej do silnika, będzie również na poziomie około 50% lub niższym, w stosunku do parametrów znamionowych. Niekiedy zbytnie obniżenie współczynnika mocy i poziomu wykorzystania mocy dostarczanej do napędów może skutkować dodatkowymi, dość znacznymi karami, ponoszonymi przez użytkownika takich maszyn. Może się więc okazać, że w przypadku wymiany starego napędu przekształtnikowego na nowy typu VFD, koszt jego zakupu można pokryć właśnie zaoszczędzonymi środkami związanymi z tymi karami.
• Harmoniczne. Jeżeli w danym zakładzie przemysłowym w sieci zasilającej pojawiają się zaburzenia w postaci wyższych harmonicznych przebiegu podstawowego (50 Hz), warto zainwestować w nowsze napędy typu VFD z filtrami harmonicznych i dodatkowymi układami ograniczającymi ich generację w systemie zasilania.
• Stosować dodatkowe łącza, tzw. Bypassy, czy też nie? W ciągu ostatnich 20 lat napędy z przetwornicami częstotliwości typu VFD stały się znacznie bardziej niezawodne, dlatego też stosowanie tzw. bypassów nie jest już tak konieczne, jak w starszych aplikacjach HVAC i powinno być każdorazowo przemyślane.
Na zakończenie jedno stwierdzenie, podsumowujące powyższe rozważania: Jeżeli koszty remontu i rewitalizacji napędu sterowanego są wyższe lub porównywalne z kosztami zakupu nowego, przede wszystkim technologicznie, napędu typu VFD, warto zdecydować się jednak na jego zakup i instalację.
—————————————————————————
Tworzenie „polisy bezpieczeństwa” napędu
W trakcie normalnej pracy napędu, przed jego awarią, dobrą praktyką jest tworzenie dla niego swoistej „polisy bezpieczeństwa”. Polega to na gromadzeniu jak największej ilości danych i informacji na temat takiego napędu, a w szczególności:
• danych z tabliczki znamionowej,
• daty zakupu silnika (jako nowego),
• czy silnik był przezwajany i jeśli tak, to kiedy,
• maksymalny prąd dopuszczalny dla danego silnika (mierzony przy największej prędkości i największym dopuszczalnym obciążeniu); warto uwzględnić również ciężkie warunki zewnętrzne takiej pracy, jak np. gorące dni itp.
W ten sposób użytkownik ma możliwość dokładniejszej obserwacji zmian w napędzie i wypracowanie zasad ich funkcjonowania w zakładzie w konkretnych aplikacjach. Zebrane dane i informacje okazują się niezwykle przydatne w momencie wystąpienia zagrożenia awarią lub nieoczekiwanych sytuacji, w których konieczne jest podejmowanie szybkich i co najważniejsze, trafnych decyzji dotyczących eksploatacji napędów.
Autor: Michael R. Olson
