W strefach zagrożonych wybuchem priorytetowe znaczenie ma wyeliminowanie ewentualnych źródeł zapłonu i zapewnienie bezpieczeństwa użytkowania sprzętu elektrycznego. W tym celu stosowane są tzw. urządzenia w wykonaniu przeciwwybuchowym, które zmniejszają lub eliminują zagrożenie eksplozją.
Wymóg przystosowania do pracy w strefach niebezpiecznych dotyczy także silników. W wersji przeciwwybuchowej są one projektowane zgodnie z wytycznymi opisującymi różne typy ochrony. Wybór silnika wyposażonego w odpowiednie zabezpieczenie zależy od warunków pracy, co definiują odpowiednie normy.
W poszczególnych krajach zdefiniowano szereg wytycznych dotyczących urządzeń przeznaczonych do pracy w strefach zagrożonych wybuchem. Aby ujednolicić te uregulowania, na terenie Unii Europejskiej wprowadzono ogólną dyrektywę ATEX 94/9/EC określającą m.in. kryteria podziału urządzeń na grupy i kategorie.
Dyrektywa zawiera też omówienie potencjalnych źródeł zapłonu, wskazówki na temat doboru materiałów, projektowania i budowy urządzeń oraz informacje związane z oznaczeniami. Standardy obowiązujące w poszczególnych krajach od tej pory zyskały status norm zharmonizowanych z dyrektywą ATEX.
Stanowią jej uzupełnienie, ponieważ sama dyrektywa zawiera jedynie ogólne informacje i wytyczne. Od lipca 2003 roku producenci mogą wprowadzać na rynek wyłącznie urządzenia i systemy ochronne zgodne z omawianą dyrektywą. Zawarte w niej regulacje zostały przyjęte w Polsce dwa lata później. W grudniu 2005 roku minister gospodarki wydał rozporządzenie wprowadzające przepisy zawarte w dyrektywie ATEX 94/9/WE.
ALFABET OCHRONY SILNIKÓW
Istnieje kilka metod ochrony silników pracujących w strefach zagrożonych wybuchem łatwopalnego gazu. Polegają one na zastosowaniu ognioszczelnej obudowy (ochrona typu "d"), ochrony ciśnieniowej (typ "p"), wzmocnionej obudowy (typ "e") oraz obudowy nieiskrzącej (typ "n").
W przypadku ochrony typu "d" nie ma możliwości przejścia ognia na zewnątrz silnika, a z kolei ochrona typu "p" zapobiega przedostaniu się wybuchowej mieszanki do wnętrza silnika. W tej metodzie ochrony wewnątrz obudowy silnika znajduje się czyste powietrze wtłaczane pod ciśnieniem.
Ochrona typu "n" lub "e" daje natomiast gwarancję, że silnik nie będzie stanowił źródła zapłonu w czasie normalnej pracy (typ "n") oraz w razie awarii (typ "e"). W silnikach w wykonaniu przeciwwybuchowym często wykorzystywane jest połączenie ochrony typu "d" (ognioszczelnej) i obudowy wzmocnionej typu "e".
Informacje o poszczególnych metodach ochrony można znaleźć w odpowiednich normach zharmonizowanych z dyrektywą ATEX.
Innym z parametrów charakteryzujących silniki do pracy w strefach Ex jest klasa temperaturowa (tabela 1). Określa ona maksymalną temperaturę silnika, która nie zostanie przekroczona nawet w najtrudniejszych warunkach pracy. Wybierając silnik pracujący w konkretnej klasie temperaturowej należy, brać pod uwagę temperaturę zapłonu mieszanki wybuchowej występującej w otoczeniu. Zyskuje się wówczas pewność, że w momencie kontaktu silnika z łatwopalnym gazem nie nastąpi eksplozja.
OD "d" DO "e"
Obudowa silnika zapewniająca ochronę typu "d" powinna być zaprojektowana w taki sposób, aby ewentualne źródła zapłonu występujące wewnątrz nie miały kontaktu z wybuchową atmosferą w otoczeniu urządzenia. Osłona silnika powinna zatem wytrzymać ciśnienie wytworzone w wyniku wewnętrznej eksplozji, natomiast wszelkie możliwe otwory w obudowie muszą być zaprojektowane tak, aby nie dopuścić do przepływu gorącego gazu. Ważne jest też, aby żaden z elementów znajdujących się na zewnątrz obudowy nie był potencjalnym źródłem iskry.
Ochronę typu "d" opisuje norma PN-EN 60079-1 Atmosfery wybuchowe – Część 1: Urządzenia przeciwwybuchowe w osłonach ognioszczelnych "d". Jest to norma zharmonizowana z dyrektywą ATEX.
Silniki o specjalnej, wzmocnionej obudowie typu "e" charakteryzują się z kolei wysokim stopniem ochrony. Zastosowanie maszyny tego rodzaju gwarantuje brak możliwości wystąpienia źródła zapłonu w jakiejkolwiek postaci, zarówno w trakcie normalnej pracy, jak i w sytuacji awaryjnej (np. przy zablokowaniu wirnika).
Normy wymagają, aby silnik w obudowie wzmocnionej typu "e" zawierał dwa oddzielne zabezpieczenia – przed przeciążeniem i przed wzrostem temperatury z innych powodów. Wymagane jest też odpowiednie zabezpieczenie na wypadek zaniku napięcia w jednej fazie, ponieważ może wówczas dojść do przegrzania silnika w wyniku zwiększonego poboru prądu z pozostałych dwóch faz.
Jakie obszary zagrożone są wybuchem?Klasyfikacji stref wybuchowych dokonano w dyrektywie ATEX 1999/92/WE. Określa ona minimalne wymagania dotyczące bezpieczeństwa i ochrony zdrowia pracowników zatrudnionych na stanowiskach pracy, gdzie wystąpić może atmosfera wybuchowa. Ustawodawca unijny wprowadził ją w celu ograniczenia występowania przypadków wybuchów i nagłych pożarów w miejscach pracy, co uzasadniano zarówno względami humanitarnymi, jak i ekonomicznymi. Na podstawie dyrektywy ATEX 1999/92/WE pracodawca powinien stworzyć dokument ochrony przeciwwybuchowej zawierający rozpoznanie zagrożenia, ocenę ryzyka i określenie środków ochronnych. Korzystając z wytycznych tej normy, pracodawca może podzielić miejsca, w których występuje atmosfera wybuchowa, na strefy:
Dyrektywa ATEX 1999/92/WE określa też grupy i kategorie sprzętu i systemów ochronnych, które powinny być stosowane w każdej strefie. W poszczególnych strefach należy stosować urządzenia według zasad przedstawionych w tabeli. Naturalnie w przypadku różnych zakładów czy instalacji przemysłowych miejsca obecności atmosfery wybuchowej będą różne. Na rysunku w ramce zobrazowano schematycznie przykładowy rozkład stref w petrochemii (za Asco/Joucomatic). Przedstawione informacje pochodzą m.in. z Ministerstwa Gospodarki, na stronie internetowej którego można zapoznać się z treścią dyrektywy ATEX 1999/92/WE. |
OCHRONA TYPU "n"
W przypadku ochrony typu "n" silnik powinien być skonstruowany w taki sposób, aby niemożliwe było iskrzenie w czasie normalnej pracy urządzenia, a więc w zakresie parametrów znamionowych zalecanych przez producenta.
Ochrona nie obejmuje w tym wypadku sytuacji awaryjnych mogących być przyczyną niepożądanego wzrostu temperatury silnika. Na polskim rynku wiele firm oferuje silniki charakteryzujące się ochroną typu "n". Jedną z nich jest Fabryka Maszyn Elektrycznych Indukta z Bielska-Białej.
Oferuje ona trójfazowe silniki indukcyjne klatkowe jednobiegowe, które według informacji producenta spełniają wymogi dyrektywy ATEX 94/9/WE oraz normy zharmonizowanej: PN-EN 60079-15 Urządzenia elektryczne w przestrzeniach zagrożonych wybuchem gazów – Część 15: Konstrukcja, badanie i znakowanie elektrycznych urządzeń rodzaju budowy przeciwwybuchowej "n". Silniki nA produkowane przez firmę Indukta zgodnie z klasyfikacją dyrektywy ATEX należą do grupy II i kategorii 3G.
Są to zatem silniki przeznaczone do pracy w środowisku przemysłowym innym niż kopalnie, gdzie zagrożenie wybuchem jest spowodowane występowaniem łatwopalnych gazów. Silniki te należą do klasy temperaturowej T3 lub T4 i są przeznaczone do pracy w strefie 2. W strefie tej wystąpienie wybuchowej atmosfery przy wykonywaniu zwykłych czynności jest mało prawdopodobne, a jeżeli już wystąpi, to będzie trwało przez krótki czas. Zastosowanie ochrony typu "n" jest tu uzasadnione małym prawdopodobieństwem wystąpienia wybuchowej atmosfery w otoczeniu silnika.
JAK ZABEZPIECZYĆ SILNIK TERMICZNIE?
| tE – maksymalny czas trwania awarii silnika, po którym powinno zadziałać zabezpieczenie, A – maksymalna temperatura otoczenia, B – temperatura silnika przy obciążeniu znamionowym (przy najgorszych warunkach zasilania), C – maksymalna dopuszczalna temperatura silnika, D – temperatura zapłonu mieszaniny wybuchowej w otoczeniu silnika, E – wzrost temperatury silnika przy obciążeniu znamionowym (w najgorszych warunkach zasilania), F – krzywa wzrostu temperatury w przypadku awarii silnika. |
Ochrona przed termicznymi skutkami przeciążenia polega na zastosowaniu odpowiedniego elementu, którego działanie jest uzależnione od natężenia prądu. Przykładem może tu być bimetalowy przekaźnik przeciążeniowy. Przepływ prądu przez uzwojenie nagrzewające element bimetalowy powoduje wzrost temperatury elementu i jego odkształcenie.
Nadmiernie wygięty element uruchamia wyłącznik odcinający zasilanie silnika. Wadą przekaźników bimetalowych jest zależność szybkości zadziałania zabezpieczenia od temperatury zewnętrznej – im wyższa temperatura otoczenia, tym szybsza reakcja elementu bimetalowego na wzrost temperatury spowodowany przeciążeniem.
Aby zminimalizować niekorzystny wpływ tego zjawiska, często są stosowane dodatkowe elementy kompensujące. Przykładem elementów do termicznego zabezpieczania silników są bimetalowe przekaźniki przeciążeniowe serii Z oferowane przez firmę Moeller. Producent deklaruje zgodność tych elementów z wymogami dyrektywy ATEX 94/9/WE.
Przekaźniki te zapewniają ochronę silnika przed uszkodzeniem m.in. w wyniku przeciążenia oraz zaniku fazy. Gdy występuje trójfazowe przeciążenie silnika pod wpływem wzrostu temperatury, trzy elementy bimetalowe wyginają się w identyczny sposób powodujący wyzwolenie styku pomocniczego odcinającego zasilanie.
Jeżeli natomiast jeden z elementów bimetalowych zostanie odkształcony w inny sposób lub jego kształt nie zmieni się w ogóle, wówczas odpowiedni układ wykryje różnicę położenia poszczególnych elementów i wyzwoli styk pomocniczy realizujący zabezpieczenie przed zanikiem fazy.
CZAS ZADZIAŁANIA ZABEZPIECZENIA
W momencie wystąpienia awarii powodującej przeciążenie (np. zablokowanie wirnika) ważne jest, aby zapobiec przekroczeniu dopuszczalnej temperatury silnika. Element zabezpieczający musi więc zadziałać w ściśle określonym czasie tE (rysunek 1). Temperatura silnika nie powinna wówczas przekroczyć temperatury zapłonu wybuchowej mieszaniny gazów w otoczeniu maszyny.
Czas tE jest określany dla danej klasy temperaturowej i zależy od stosunku natężeń prądu chwilowego i prądu znamionowego (IA/IN). Przykład takiej zależności został przedstawiony na rysunku 2. Czas zadziałania zabezpieczenia powinien być tak dobrany, aby nie powodował nieuzasadnionych wyzwoleń przy normalnej pracy silnika i przede wszystkim umożliwiał rozruch silnika. Dobierając element zabezpieczający, należy wziąć pod uwagę charakterystykę prądowo-czasową wymaganą w danej aplikacji.
PODWÓJNA OCHRONA
Oprócz zabezpieczeń o działaniu uzależnionym od natężenia prądu płynącego przez silnik normy wymagają też, aby stosować elementy o innej zasadzie działania. Często w układach ochrony silników stosowane są więc np. termistory połączone z odpowiednim przekaźnikiem. Mierzą one zazwyczaj temperaturę uzwojeń silnika, lecz mogą być też wykorzystane do pomiaru temperatury innych części – np. łożysk.
Podwójna ochrona jest konieczna dlatego, że w wyniku działania zewnętrznych czynników może wystąpić przegrzanie silnika, które nie zostanie wykryte przez przekaźnik przeciążeniowy. Sytuacja taka może wystąpić przykładowo podczas awarii układu chłodzenia. Dlatego często spotykanym rozwiązaniem jest połączenie ochrony silnika przy użyciu np. termicznego wyłącznika bimetalowego i termistora lub termorezystora.
Przykładem elementu zabezpieczającego, który można zastosować w przypadku silników w obudowach wzmocnionych typu "e", jest przekaźnik termistorowy EMT6 oferowany przez firmę Moeller. Producent deklaruje, że przekaźnik ten spełnia wymagania dyrektywy ATEX 94/9/WE i w połączeniu z termistorem zapewnia ochronę termiczną silnika w razie jego przegrzania w różnych sytuacjach.
EMT6 monitoruje dane z czujników termistorowych i odłącza zasilanie w przypadku przegrzania silnika, jednocześnie sygnalizując ten stan za pomocą diod. Do zacisków przekaźnika EMT6 można przyłączyć do 6 termistorów PTC zgodnych z normą DIN 44081, do 2 termistorów zgodnych z normą DIN 44082 o rezystancji ≤250Ω lub 9 czujników PTC o rezystancji ≤100Ω.
Klasyfikacja urządzeń według dyrektywy ATEX 94/9/WEGrupa I Urządzenia przeznaczone do pracy w części podziemnej i naziemnej kopalni, w miejscach gdzie może występować niebezpieczeństwo eksplozji metanu lub pyłu węglowego. Kategorie w obrębie urządzeń z grupy I:
Grupa II Urządzenia do pracy w innych miejscach niż kopalnie, ale także narażonych na występowanie substancji wybuchowych. W obrębie grupy II wprowadzono klasyfikację substancji łatwopalnych w zależności od ich wybuchowości, wprowadzając podział na podgrupy IIA, IIB, IIC. Największe zagrożenie jest związane z występowaniem w danym środowisku substancji zakwalifikowanych do grupy IIC, ponieważ w ich przypadku do zapłonu jest niezbędne dostarczenie najmniejszej energii. Są to następujące substancje: wodór, acetylen, dwusiarczek węgla i hydrazyna. Do grupy IIB zaliczany jest m.in. etylen, siarkowodór, cyjanowodór, eter etylowy. Natomiast w najliczniejszej grupie IIA są np. takie substancje jak: propan, aceton, amoniak, benzyna, benzen, fenol, metan, nafta, olej napędowy, ropa naftowa, tlenek węgla. Kategorie w obrębie urządzeń z grupy II:
Przedstawione informacje pochodzą z Ministerstwa Gospodarki, na stronie internetowej którego można zapoznać się z treścią dyrektywy ATEX 94/9/WE. |
PRZYKŁADY SILNIKÓW Z OCHRONĄ TYPU "e"
Firma Indukta proponuje nie tylko silniki nA. W swojej ofercie ma także silniki w obudowach wzmocnionych typu "e" polecanych do zastosowań w przemyśle chemicznym i naft owym. Producent podaje, że silniki te spełniają wymogi dyrektywy ATEX 94/9/WE oraz normy zharmonizowanej PN-EN 60079-7 Urządzenia elektryczne w przestrzeniach zagrożonych wybuchem gazów – Część 7: Budowa wzmocniona "e". Są to trójfazowe silniki asynchroniczne o stopniu ochrony IP55 przeznaczone do zastosowań w środowisku przemysłowym zagrożonym wybuchem (innym niż kopalnie). Zaliczane są do kategorii 2 i mogą pracować zarówno w strefie 1, jak i w strefie 2.
Należą do klasy temperaturowej T3 lub T4. Inną firmą, która ma w swojej ofercie silniki przeciwwybuchowe typu "e", jest Fabryka Silników Elektrycznych Besel z Brzegu. Firma oferuje silniki trójfazowe asynchroniczne, które według klasyfikacji dyrektywy ATEX są zaliczane do kategorii 2. Mogą być stosowane w strefie 1 i 21. Oznacza to, że producent gwarantuje ich bezpieczną pracę w atmosferze zagrożonej wybuchem zarówno łatwopalnego gazu, jak i łatwopalnego pyłu. Silniki te mogą pracować w klasie temperaturowej T3 lub T4.
OCHRONA TYPU "d/de"
Silniki z ochroną typu "de" (przeciwwybuchowe w osłonie ognioszczelnej z elementami obudowy wzmocnionej) oferowane są m.in. przez tarnowską Fabrykę Silników Elektrycznych Tamel. W ofercie producenta są zarówno wersje z ochroną typu d/de przeznaczone do pracy w II grupie i 1 strefie zagrożenia wybuchem oraz silniki kwalifikujące się do grupy I (kopalnie), gdzie istnieje niebezpieczeństwo wybuchu związane z występowaniem metanu i pyłu węglowego.
W przypadku wybranych modeli silników producent deklaruje, że uzyskały one certyfikat zgodności dla grupy gazów IIC (patrz ramka ATEX). Standardowo charakteryzują się klasą temperaturową T4, T5 i T6. Ze względu na stopień ochrony firma zaleca zastosowanie tych urządzeń w przemyśle górniczym, pompach paliwowych oraz na platformach wiertniczych i szybach naftowych.
Silniki w wentylatorach pracujących w strefach ExWentylatory są niezbędnym wyposażeniem wielu pomieszczeń zakładów przemysłowych, m.in. narażonych na niebezpieczeństwo eksplozji. Wśród potencjalnie zagrożonych miejsc znajdują się komory lakiernicze, laboratoria chemiczne i petrochemiczne, magazyny smarów, olejów itp. Wyciągi są też instalowane na niektórych etapach procesów technologicznych do usuwania oparów potencjalnie niebezpiecznych rozpuszczalników (m.in. benzyny, acetonu). Bezpieczeństwo osób pracujących w takich pomieszczeniach zależy od sprawności odprowadzania pyłów i gazów wybuchowych poza ten obszar. Ważne jest, aby sam wentylator nie stanowił elementu mogącego zapoczątkować eksplozję. Z tego względu w strefach zagrożonych konieczne jest stosowanie wentylatorów w wersjach przeciwwybuchowych. Bezpieczeństwo użytkowania powinno w tym przypadku być gwarantowane przez specjalną konstrukcję wentylatora, obejmującą także odpowiednie zabezpieczenie silnika. W niektórych rozwiązaniach wentylatorów silnik jest oddzielony od przepływającego, agresywnego medium i jest chłodzony za pomocą specjalnego wlotu doprowadzającego powietrze z zewnątrz. Takie rozwiązanie jest proponowane np. przez firmę BSH Klima Polska w wentylatorze DRVF-K. Ogólnie jednak sama konstrukcja silnika powinna spełniać wszelkie wytyczne bezpieczeństwa, wymagane w strefach zagrożonych wybuchem. Na polskim rynku można spotkać wiele modeli wentylatorów certyfikowanych pod względem zgodności z dyrektywą ATEX. Wentylatory Venture IndustriesPrzykładem jest wentylator przeciwwybuchowy EMT (fot. 1) oferowany przez firmę Venture Industries. Firma deklaruje, że produkt spełnia wymogi dyrektywy ATEX 94/9/WE oraz dodatkowo normy zharmonizowanej PN-EN 14986. Jest to wentylator przeznaczony do pracy w strefach zagrożonych wybuchem poza kopalniami i wyrobiskami górniczymi. Jego obudowa wykonana jest ze stopów aluminium, a niektóre elementy z blachy mosiężnej i/lub aluminiowej. Urządzenie może transportować medium o temperaturze od –20ºC do +60ºC przy temperaturze otoczenia silnika z zakresu od –20ºC do +40ºC. Wentylator jest napędzany trójfazowym silnikiem elektrycznym (230/400V lub 400/690V, 50Hz) w obudowie wzmocnionej typu "e". Wentylatory SystemairInną firmą zajmującą się m.in. produkcją wentylatorów przeciwwybuchowych jest Systemair. Producent ten również deklaruje zgodność z wytycznymi dyrektywy ATEX 94/9/WE, podając, że urządzenia przez niego oferowane mogą pracować w środowisku przemysłowym (grupa II) w strefie zagrożenia 1 dla gazów palnych i mgły cieczy palnych. Nie mogą być natomiast stosowane w kopalniach. Wentylatory Systemair pracują przede wszystkim w klasie temperaturowej T3, choć dostępne są też wersje typu T4. W przypadku silników do wentylatorów mogą być wykorzystane wersje o ognioszczelnej i wzmocnionej obudowie typu "e" – takie jak np. wentylatory z serii DVV-EX. Silniki zainstalowane w wentylatorach Systemair mają wbudowane czujniki temperatury PTC. Czujnik zabezpieczenia termicznego silnika musi być połączony z przekaźnikiem, który również powinien być certyfikowany pod kątem zgodności z dyrektywą ATEX 94/9/WE. Przykładem urządzeń, w których zastosowano zabezpieczenie termiczne tego rodzaju, są wentylatory z serii DVS/ DHS/DVSI (fot. 2). Innym przykładem wentylatorów oferowanych przez firmę Systemair są urządzenia z serii EX. Są one wyposażone w silniki jednofazowe – obudowa wentylatora jest wykonana z siluminu (stop aluminium z krzemem i innymi dodatkami), a wirnik jest aluminiowy. Wentylatory mają zainstalowane kondensatory iskrobezpieczne i pracują w klasie temperaturowej T3. |
JAK REGULOWAĆ PRĘDKOŚĆ OBROTOWĄ?
Układy napędowe z silnikami prądu przemiennego zazwyczaj wykorzystują przemienniki częstotliwości (falowniki). W strefach zagrożonych wybuchem urządzenia te, podobnie jak inne elementy układów napędowych, spełniać muszą określone wytyczne zapewniające bezpieczeństwo użytkowania.
W praktyce stosowane są różne podejścia. W przypadku połączenia silnika z przemiennikiem zalecane jest przetestowanie danej konfiguracji pod kątem zjawisk termicznych występujących w czasie pracy silnika. Niektórzy producenci zalecają konkretne modele przemienników częstotliwości do zastosowania w połączeniu z silnikiem o danym stopniu ochrony.
Przykładowo firma ABB do swoich silników przeciwwybuchowych klasy T4 zaleca przemienniki ACS800. Konfiguracja ta została przetestowana z wykorzystaniem metody DTC, czyli bezpośredniego sterowania momentem obrotowym.
Wybór modelu silnika do danego przemiennika może być też wykonany przy użyciu krzywych obciążenia lub innych narzędzi. W przypadku innych przemienników ze sterowaniem PWM zazwyczaj wymagane są dodatkowe testy lub wykorzystanie czujników temperatury powierzchni silnika. Innym możliwym rozwiązaniem jest zastosowanie silników zintegrowanych z przemiennikami częstotliwości.
Przykładem są maszyny o mocy 60kW i 200-400kW oferowane przez Dąbrowską Fabrykę Maszyn Elektrycznych Damel. Są one przeznaczone do pracy w podziemnych częściach kopalń, gdzie występuje zagrożenie wybuchem metanu oraz pyłu węglowego. Przemiennik częstotliwości został w tym przypadku zabudowany w dodatkowej skrzyni zintegrowanej z silnikiem w ognioszczelnej osłonie.
Do chłodzenia falownika wykorzystano płaszcz wodny w kadłubie silnika, natomiast w samym przemienniku użyto m.in. następujące zabezpieczenia: ochronę przed zwarciem na wyjściu przemiennika, zabezpieczenie przed przeciążeniem, wykrywanie mechanicznego zablokowania silnika oraz ochronę termiczną i współpracę z termicznym zabezpieczeniem silnika.
Jeszcze innym rozwiązaniem są przemienniki częstotliwości Nordac trio SK 300E firmy Nord, które montowane są bezpośrednio na silniku z wykorzystaniem odpowiedniego adaptera. Producent oferuje też wersję naścienną, w której motoreduktor i przemiennik są montowane oddzielnie. Pierwsze rozwiązanie ma kilka znaczących zalet.
Ważne jest m.in. to, że wszystkie połączenia między silnikiem a przemiennikiem są zamknięte w obrębie jednego elementu. Pozwala to spełnić wymagania kompatybilności elektromagnetycznej, eliminując konieczność stosowania np. przewodów ekranowanych. Przemienniki z serii Nordac trio SK 300E po odpowiedniej modyfikacji mogą być też stosowane w strefach zagrożonych wybuchem.
|
{third2}Rafał Rużniak Product Manager ds. napędów przeciwwybuchowych SEW-Eurodrive
Nowością są silniki, które stosowane mogą być w środowiskach występowania obydwu mieszanek powietrznych gazu i pyłu w kategorii II2GD i II3GD. Zaletami zastosowania silników o budowie wzmocnionej z cechą Ex e w stosunku do technologii opartej na produkcji silników w wykonaniu ognioszczelnym z cechą Ex d jest uniknięcie niedopuszczalnych temperatur powierzchni podczas eksploatacji, co sprawia, że temperatura zapłonu mieszanki powietrze/gaz i powietrze/pył nie może zostać osiągnięta. Innymi zaletami są niższa cena zakupu, o połowę mniejsza waga, krótsze terminy dostaw, tańsza eksploatacja oraz regeneracja.
Motoreduktory w wersji przeciwwybuchowej znajdują zastosowanie przede wszystkim w branży ekologicznej, przemyśle chemicznym, spożywczym, cukrowniczym i paszowym. Branża ekologiczna oraz chemiczna to ściśle ze sobą powiązane perspektywiczne sektory. Są to bardzo rozległe obszary zastosowań napędów, począwszy od procesu przetwarzania produktu, transportu i oczyszczania materiałów ubocznych po procesy wytwarzania produktu końcowego.
Zmiany związane z rosnącymi cenami energii oraz wdrażaniem światowej polityki ograniczającej emisję CO2 sprawiają, iż jedynym rozwiązaniem dla firm produkcyjnych jest określenie potencjału energooszczędności już istniejących rozwiązań bądź inwestycje i wdrożenie rozwiązań energooszczędnych. Analizy potwierdzają, że aż 90% kosztów eksploatacji to koszty energii, dlatego rynek napędów energooszczędnych jest obecnie rynkiem bardzo perspektywicznym. Przykładem mogą być modułowe energooszczędne rozwiązania napędowe. Poszczególne komponenty napędowe, które cechują się wysoką sprawnością energetyczną, łączone są ze sobą w taki sposób, aby do danej aplikacji stworzyć optymalne rozwiązanie napędowe o najlepszej możliwej energooszczędności. |
ZABEZPIECZENIA ELEMENTÓW NIEELEKTRYCZNYCH
W układach napędowych nie tylko elementy elektryczne mogą stanowić źródło zapłonu – zagrożenie jest też związane z użytkowaniem ich części nieelektrycznej, w szczególności przekładni mechanicznej. Aby zapewnić pełną ochronę przeciwwybuchową, należy wziąć pod uwagę takie zjawiska jak wyładowania elektrostatyczne, nagrzewanie się powierzchni w wyniku tarcia czy powstające iskry.
W przypadku przekładni szczególnie ważne są dwa ostatnie czynniki. Wytyczne w zakresie ochrony przeciwwybuchowej urządzeń nieelektrycznych są określone w normie PN-EN 13463, która zharmonizowana jest z dyrektywą ATEX. Norma PN-EN 13463-1 podaje m.in. wymogi dotyczące właściwości tworzyw sztucznych wykorzystywanych w omawianych urządzeniach. W kolejnych jej częściach opisywane są też różne metody ochrony – za pomocą osłony z ograniczonym przepływem "fr", osłony ognioszczelnej "d", ochrony przez zabezpieczenie konstrukcyjne "c", przez kontrolę źródła zapłonu "b" oraz ochronę za pomocą osłony cieczowej "k".
Ostatni typ ochrony wykorzystywany jest np. przy zanurzaniu w oleju ruchomych elementów przekładni w celu ograniczenia wydzielania ciepła tarcia i gaszenia iskier. W takim przypadku ważna jest też kontrola poziomu oleju. Ponadto, aby zapobiegać przegrzewaniu się, producenci zalecają przeprowadzanie pomiaru temperatury powierzchni przekładni w czasie uruchamiania w stanie maksymalnego obciążenia.
Zazwyczaj miejsce pomiaru jest ściśle określone – np. w punkcie połączenia przekładni z silnikiem. Producenci podają zwykle czas, po którym zostaje osiągnięta maksymalna temperatura, oraz wartość graniczną, po przekroczeniu której należy napęd wyłączyć. Napędy w wersjach przeciwwybuchowych są budowane w oparciu o kilkustopniową ochronę.
Przykładem są elektryczne napędy i przekładnie firmy Auma, które są wykonywane z ochroną typu "e", "d" i z zabezpieczeniem konstrukcyjnym "c". W napędach tych pierwszy typ ochrony obejmuje zaciski elektryczne, ochrona typu "d" dotyczy natomiast komór silnikowych i wnętrza komór zintegrowanych układów sterowania. Przekładnie i ich elementy w napędach Auma spełniają wymagania ochrony typu "c".
Przekładnie w wersji przeciwwybuchowej zgodne z wytycznymi dyrektywy ATEX dla urządzeń nieelektrycznych produkuje także niemiecka firma Watt Drive. Producent oferuje m.in. przekładnie przeciwwybuchowe serii H (walcowe), F (płaskie), S (ślimakowe) i K (stożkowe). Przekładnie te mogą pracować w klasach temperaturowych T1-T4 oraz zaliczane są do grupy urządzeń I, kategorii M2 oraz grupy II, kategorii 2 w atmosferze wybuchowego gazu i kategorii 2 dla pyłów. W produktach tych zastosowano ochronę typu "c" i "k".
{third3}Silniki dla górnictwaPraca urządzeń elektrycznych w kopalni zawsze związana jest z dużym ryzykiem wystąpienia eksplozji. Wynika to ze specyficznych warunków panujących zarówno w podziemnych częściach kopalni, jak i w przypadku instalacji na powierzchni. Wybuch metanu lub pyłu węglowego był już niejednokrotnie przyczyną wypadków. O tym, jak poważne zagrożenie mogą spowodować urządzenia elektryczne pracujące w tym środowisku, świadczy chociażby podział wprowadzony w dyrektywie ATEX 94/9/WE. Urządzenia przeznaczone do pracy w kopalni zostały zdefiniowane w tej normie jako oddzielna grupa. Stosowanie silników w wykonaniu przeciwwybuchowym jest więc w górnictwie koniecznością. Przykładowe produktyPrzykładem firmy, która zajmuje się produkcją silników przeznaczonych dla przemysłu wydobywczego, jest Zakład Maszyn Elektrycznych Emit S.A. Producent oferuje dwie serie silników: dSKgw – do napędu organów urabiających w kombajnach ścianowych, oraz dSKgwp – do napędu maszyn i urządzeń górniczych. Dotyczy to w szczególności przenośników taśmowych i zgrzebłowych. Silniki obu serii mogą pracować w obszarach, gdzie jest możliwe występowanie metanu oraz pyłu węglowego w stężeniach zagrażających wybuchem. Według klasyfikacji dyrektywy ATEX 94/9/WE silniki dSKgw i dSKgwp należą do grupy I i kategorii M2. Najważniejsze parametry środowiskowe pracy to: ciśnienie atmosferyczne 800...1070hPa, temperatura otoczenia z zakresu od 0ºC do 40ºC, wilgotność względna (35ºC)z zakresu 97...100% oraz zapylenie ≤1000 mg/m³. Budowa silników{third4}dSKgw i dSKgwp to indukcyjne silniki trójfazowe z wirnikiem klatkowym (uzwojenie klatkowe, prętowane z miedzi) w wykonaniu poziomym (dSKgw), do pracy poziomej lub w wykonaniu kołnierzowym (dSKgwp), również do pracy poziomej. Silniki obu serii mają osłonę ognioszczelną typu d. Producent zapewnia, że spełniają one wymogi odpowiednich norm zharmonizowanych z dyrektywą ATEX 94/9/WE. Ponadto, deklarowana jest zgodność z normą PN-G 38010 "Ochrona pracy w górnictwie. Silniki indukcyjne trójfazowe klatkowe do maszyn górniczych. Wymagania i badania" oraz z normą PN-EN 60034-1 określającą dane znamionowe i parametry maszyn elektrycznych wirujących. Silniki obu serii mają budowę zamkniętą o stopniu ochrony wnętrza IP55. W przypadku dSKgw skrzynka zaciskowa główna ma 3 zaciski uzwojenia stojana oraz zaciski czujników mierzących temperaturę uzwojeń i łożysk. Dla silników drugiej serii skrzynka zaciskowa może być analogiczna lub zawierać 6 zacisków uzwojenia stojana oraz zaciski czujników temperatury. W przypadku obydwu produktów zastosowano chłodzenie obudowy i tarczy wodą z wymuszonym przepływem. Odpowiada to systemowi chłodzenia ICW37 według normy PN-EN 60034-6. Silniki serii dSKgw są ponadto wyposażone w wyprzęgnik obrotów z wałkiem bezpieczeństwa. Ochrona termiczna silników{third5}Silniki oferowane przez firmę Emit zawierają zabezpieczenia termiczne uzwojenia stojana i łożysk. Producent wykorzystał w nich czujniki temperatury trzech rodzajów. Przykładowo w przypadku serii dSKgw podstawowa ochrona cieplna uzwojenia stojana obejmuje 3 połączone szeregowo (+ 3 rezerwowe) bimetalowe wyłączniki termiczne 145ºC oraz termorezystor Pt100 (+ 1 rezerwowy). Podobnie w zabezpieczeniu łożyska wykorzystano bimetalowe wyłączniki 110ºC i termorezystory Pt100. W silnikach serii dSKgwp zastosowano analogiczne czujniki, z tym że w przypadku silników dwubiegowych zabezpieczony jest każdy bieg. Trzeci rodzaj ochrony termicznej obejmuje wykorzystanie termistorowych czujników temperatury PTC. W obu seriach ten sposób ochrony dotyczy silników niskonapięciowych (1000V, 1140V). W uzwojeniu stojana zastosowano trzy połączone szeregowo czujniki PTC 145ºC (+ 3 rezerwowe), natomiast każde łożysko jest zabezpieczone z wykorzystaniem PTC 110ºC. |
PODSUMOWANIE
W Polsce działa wiele firm zajmujących się produkcją i dystrybucją silników i napędów przeznaczonych do pracy w strefach zagrożonych wybuchem. Oprócz tych, których produkty zostały przedstawione w artykule, silniki w wykonaniu przeciwwybuchowym oferują też m.in. Maszyny Elektryczne Celma (m.in. silniki przystosowane do pracy w niskich temperaturach – poniżej –20ºC) i Dąbrowska Fabryka Maszyn Elektrycznych Damel (m.in. silniki przeznaczone do maszyn górniczych chłodzone wodą przepływającą przez kanały w kadłubie).
Przeglądając oferty tych i innych producentów, znaleźć można silniki o różnych typach ochrony, przeznaczone do pracy w obecności łatwopalnych gazów – zarówno w środowisku przemysłowym, jak i w kopalniach oraz innych zastosowaniach.
Monika Jaworowska
|
Spis tabel
|
Klasy temperaturowe w odniesieniu do temperatury zapłonu mieszanki wybuchowej
Dane teleadresowe producentów silników wymienionych w artykule
Przykładowe motoreduktory w wykonaniu przeciwwybuchowym
