Jak regulować prędkość obrotową?

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

Jakie są nowe trendy technologiczne w branży?

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.

Które branże są największymi odbiorcami?

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.

Jak przedstawiają się perspektywy rozwoju rynku, na którym działa Państwa firma?

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 górnictwa

Praca 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 produkty

Przykładem 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