Instalacja zewnętrznego napędu o zmiennej prędkości obrotowej (VSD), choć jest rozwiązaniem tańszym od wbudowanego, może nastręczać sporych problemów w czasie eksploatacji, mających wpływ na wydajność sprężarki oraz całkowity koszt utrzymania maszyny. Zamiast więc modernizować sprężarki o stałej prędkości poprzez montowanie zewnętrznego napędu VSD, można zainwestować w sprężarki z wbudowanym napędem o zmiennej prędkości.
Technologia ta łączy w sobie silnik sprężarki z napędem. Zastosowanie sprężarki z wbudowanym VSD oferuje zalety, których nie ma zewnętrzne urządzenie VSD, a które mogą wspomóc operatorów w uzyskiwaniu lepszych osiągów eksploatacyjnych i niwelowaniu problemów z utrzymaniem stanu technicznego maszyny w trakcie cyklu jej życia.
Przyjrzyjmy się silnikowi sprężarki, który do chłodzenia potrzebuje przepływu powietrza 28,3 m3/min. Przy użyciu standardowego silnika o stałej prędkości można zmniejszyć jego prędkość o 90%. Przepływ chłodzenia zostaje wówczas zredukowany do 23 m3/min, co może doprowadzić do przegrzania silnika.
W przypadku przegrzania silnika wytworzony moment obrotowy może spaść poniżej dolnej dopuszczalnej granicy. Oznacza to ograniczenie zakresu prędkości standardowego silnika, podczas gdy silniki przystosowane do pracy z falownikiem utrzymają wymagany moment obrotowy nawet na poziomie dolnego limitu prędkości. Taki silnik pozwala na uzyskanie większych „zakresowości” oraz oszczędności energii.
1. Silniki przystosowane do pracy z falownikiem
Urządzenia te zostały zaprojektowane specjalnie dla większego przepływu powietrza chłodzącego, co pozwala im pracować na niższych limitach prędkości bez przegrzewania. Silniki te utrzymują dużą wydajność w całym zakresie prędkości, gwarantując jednocześnie właściwy moment obrotowy. Zastosowanie silnika o stałej prędkości w aplikacji z napędem o prędkości zmiennej może przynieść negatywny skutek. W miarę zmniejszania się prędkości przepływ powietrza chłodzącego również się zmniejszy zgodnie z kwadratem redukcji prędkości. Tym samym przy 90% prędkości występować będzie zaledwie 81% przepływu powietrza. Może to prowadzić do przegrzania się uzwojeń, a w konsekwencji do utraty wydajności oraz spadku momentu obrotowego silnika.
2. Eliminacja obszarów prędkości zabronionych
Wraz ze zmniejszeniem prędkości maszyny luźno zamontowane komponenty mogą zacząć drgać w rezonansie. Rezonans pow-staje wtedy, gdy drgania jednego systemu synchronicznie oscylują z drganiami generowanymi przez inny, podłączony system. Takie drgania występują w sprężarkach zwykle przy małych prędkościach. Aby uniknąć drgań szczytowych przy zastosowaniu zewnętrznych komponentów VSD, producenci maszyn programują sprężarki tak, by unikać prędkości, w których występują drgania rezonujące. Wskutek tego powstają przerwy w prędkości zwane obszarami prędkości zabronionych.
Ich istnienie powoduje zbyt szybką niż wymagana pracę maszyny i pompowanie do rurociągu więcej powietrza, niż jest to konieczne, co przyczynia się do wzrostu ciśnienia netto. Wartości ciśnienia powracają w końcu do normalnego poziomu roboczego, niemniej jednak wahania te uniemożliwiają użytkownikowi uzyskanie stabilności tego parametru, co ma negatywny wpływ na aplikacje końcowe. Obszary prędkości zabronionych nie tylko powodują straty powietrza, lecz także, wskutek większych niż wymagane prędkości, zużywają spore ilości energii.
Niedopuszczenie do powstania takich obszarów gwarantuje uzyskanie maksymalnych oszczędności energii oraz stabilnego ciśnienia systemu dla aplikacji o zróżnicowanym zapotrzebowaniu. Sprężarki z wbudowanym VSD pracują bez obszarów zabronionych, co pozwala operatorom na ich obsługę w pełnym zakresie wydajności, bez pomijania wartości prędkości.
3. Ochrona przed prądami płynącymi przez łożyska
Po podłączeniu do napędu falownika silniki mogą indukować prądy elektryczne. Niewłaściwie skierowane, prądy te będą przepływać przez łożyska silnika i powodować spiekanie (uszkodzenie powierzchni łożyska przypominające zadrapania) oraz przedwczesne zużycie. Niekontrolowane „wędrujące” prądy mogą płynąć z wału silnika do wału sprężarki, powodując spiekanie się łożysk w silniku i sprężarce. Takie impulsy prądowe o wysokiej częstotliwości, generowane w układach szybkiego przełączania, powodują przemieszczanie się metalu z elementów obracających się do środka smarnego. W przypadku braku wbudowanych zabezpieczeń prowadzi to do wystąpienia obróbki elektroerozyjnej (Electric Discharge Machining – EDM) i przedwczesnej awarii łożyska. Istnieje wiele sposobów ochrony łożyska przed uszkodzeniami prądowymi w sprężarkach z wbudowanym napędem VSD, w tym izolacja łożysk silnika za pomocą szczotek przenoszących prąd oraz z zastosowaniem elastycznego złącza, bez metalowego styku pomiędzy stroną silnika a stroną sprężarki.
Do odprowadzania prądów indukowanych z silnika mogą służyć przewody zbrojone. Dławiki liniowe również ograniczają prądy przepływające przez łożyska, znacząco poprawiając wydajność napędu i wydłużając żywotność silnika dzięki wyeliminowaniu częstego wyłączania się sprzętu.
4. Kontrola zniekształceń harmonicznych
Powstawanie częstotliwości harmonicznych jest powiązane z indukowanymi prądami i napięciami wytwarzanymi przez obwody nieliniowe. Do tej kategorii można zaliczyć większość obwodów elektronicznych, a zwłaszcza energoelektronicznych. Takie prądy i napięcia nakładają się na podstawowy przebieg sinusoidalny, powodując odchylenia jego kształtu. Zakres takiego odchylenia zwany jest zniekształceniem harmonicznym. Niekontrolowane zniekształcenia harmoniczne skutkują przegrzewaniem się silników, transformatorów oraz pozostałego sprzętu w sieci klienta. Sterowanie ukierunkowane na redukcję udziału harmonicznych wymaga precyzyjnych obliczeń oraz podłączenia niezbędnych cewek indukcyjnych, kondensatorów i dławików. Ze względu na duże szybkości przełączania wielkości wyjściowe zewnętrznego VSD są „zanieczyszczane” zniekształceniami harmonicznymi, co powoduje straty w wydajności układu. Sprężarki z wbudowanym VSD minimalizują takie straty dzięki wbudowanemu dławikowi oraz niezbędnym układom filtrującym, ograniczającym zniekształcenia harmoniczne napięcia na większości sieci elektrycznych.
5. Zachowanie kompatybilności elektromagnetycznej
Kompatybilność elektromagnetyczna (Electromagnetic Compliance – EMC) została zdefiniowana przez Komisję Europejską (KE) jako „kompatybilność sprzętu elektronicznego ze środowiskiem elektromagnetycznym, w którym taki sprzęt pracuje”. W przypadku braku monitoringu i sterowania zewnętrzny sprzęt VSD emituje fale elektromagnetyczne, które mogą zakłócać sygnały aparatury oraz innych urządzeń, od znajdujących się w pobliżu maszyn, aż po wszczepione u ludzi rozruszniki serca. Napęd VSD pozbawiony zabezpieczenia również jest podatny na zewnętrzne fale elektromagnetyczne. Zaawansowana elektronika oraz filtry wbudowane w układ VSD minimalizują straty oraz kontrolują emisję i zniekształcenia harmoniczne w zakresie zgodności z odpowiednimi normami. Układy z wbudowanymi napędami VSD przyczyniają się do zachowania kompatybilności elektromagnetycznej przez:
➡ sterowanie – układy VSD nie oddziałują na pracę pozostałego sprzętu,
➡ odporność – układy VSD nie podlegają negatywnym wpływom emisji elektromagnetycznych generowanych przez inne urządzenia.
6. Wdrożenie zintegrowanego napędu
Napędy sprężarek muszą być zaprojektowane zgodnie z zasadą maksymalnej wydajności oraz „zakresowości”. Napęd powinien znajdować się na tej samej podstawie co sprężarka, a nie jako osobny komponent, w postaci zewnętrznego panelu VSD. Pomoże to w przeprowadzeniu testów fabrycznych oraz zagwarantuje najbardziej wydajną pracę całego układu sprężarki w porównaniu z napędami luźnymi. Zintegrowana budowa pozwala także na zachowanie kompaktowych rozmiarów całego układu. Ponieważ zewnętrzne urządzenie VSD stanowi osobny komponent, modernizacja sprężarki o stałej prędkości wymaga dodatkowej przestrzeni. Układy z wbudowanym VSD mają napęd i silnik w jednej podstawie, co pomaga zaoszczędzić przestrzeń w zakładzie.
7. Maksymalizacja „zakresowości”
Uzyskanie maksymalnej „zakresowości” wymaga dobrego projektu sprężarki oraz komponentów wysokiej jakości. Maksymalna „zakresowość” oznacza zachowanie momentu obrotowego przy mniejszych prędkościach. Ponieważ elementy zewnętrznego VSD nie mają silnika przystosowanego do pracy z falownikiem, nie są w stanie podtrzymać momentu obrotowego przy małych prędkościach bez przegrzewania się. Wentylator dużych rozmiarów umieszczony w układzie z wbudowanym VSD zabezpiecza przed nadmiernymi temperaturami przy małych prędkościach. Układy z wbudowanym VSD mają ponadto największą „zakresowość” ze wszystkich sprężarek – średnio zwykle od 50% do 75%, a w niektórych przypadkach nawet 80%. Maksymalna „zakresowość” oznacza większe oszczędności energii.
8. Połączenie napędu i sprężarki ze sterownikiem
Kiedy napęd i sterownik są skomunikowane, ich monitorowanie i rozwiązywanie problemów staje się proste i skuteczne. Zarówno pracę zewnętrznego VSD, jak i silnika ze stałą prędkością można monitorować osobno, jednak połączenie ich w jeden układ ułatwia i przyspiesza gromadzenie danych, umożliwiając operatorom pełen podgląd parametrów eksploatacyjnych sprężarki w jednym miejscu. Te elementy sterowania są często stosowane do ustawienia sprężarki na niskie ciśnienie robocze; im niższe średnie ciśnienie robocze, tym mniejsze zużycie energii. Układy z wbudowanym VSD łączą w sobie wszystkie te funkcje, pozwalając sprężarce na pracę wyłącznie z taką prędkością, jaka jest konieczna.
Podsumowanie
Sprężarki z VSD stanowią dobre rozwiązanie dla większości aplikacji o zapotrzebowaniu zmiennym. Układy z wbudowanym VSD oferują więcej korzyści dla systemu, nie generując dodatkowych, nieprzewidzianych problemów w eksploatacji maszyny, które mogą pojawiać się w przypadku zastosowania zewnętrznych komponentów VSD. Sprężarki powietrza z wbudowanym VSD gwarantują producentom oszczędność energii przy jednoczesnej niezawodności działania systemu.
Deepak Vetal jest kierownikiem ds. marketingu produktu w dziale sprężarek bezolejowych w Atlas Copco Compressors.
