Tipy a nástroje pro efektivní řízení chodu motorů

Obrázek 1: Typický průběh testování elektromotoru za účasti klienta ve společnosti Advanced Energy. Klienti jsou svědky testování v laboratoři, kterého se vždy účastní větší množství techniků. Obrázek publikován se svolením společnosti Advanced Energy Obrázek 1: Typický průběh testování elektromotoru za účasti klienta ve společnosti Advanced Energy. Klienti jsou svědky testování v laboratoři, kterého se vždy účastní větší množství techniků. Obrázek publikován se svolením společnosti Advanced Energy

Systémy poháněné motory spotřebovávají přibližně polovinu veškeré elektrické energie, která se na světě vyrobí, a jsou pravděpodobně největšími uživateli energie i ve vašem podniku. Snížit náklady na energii tak, že tyto systémy vylepšíte, může být jednoduchým krokem díky inovativním postupům v oblasti řízení chodu motorů.

V nedávném webcastu vysílaném redakcí časopisu Plant Engineering, který je k dispozici v jeho on-line archivech, sdílel Michael Lyda, technik zabývající se problematikou motorů a pohonů, který pracuje ve společnosti Advanced Energy Corp., své zkušenosti s přítomnými účastníky. Diskutoval o tom, jak zefektivnit postupy řízení chodu motorů, rychle dosáhnout vyšší spolehlivosti procesů a snížit náklady na energii.

Po prezentaci odpovídal Michael Lyda na dotazy posluchačů. Níže jsou uvedeny otázky a odpovědi, které během webového vysílání nebyly z časových důvodů zodpovězeny.

Účastníci vznášeli dotazy ohledně specifikace nákupu a analýzy nákladů na životní cyklus elektrických motorů a dotazovali se na osvědčené postupy pro provoz a údržbu. Do diskuse byla rovněž zahrnuta problematika týkající se používání frekvenčních měničů (Variable Frequency Drive – VFD), v rámci které byly probírány zásady základního provozování měničů, výhody energetické účinnosti a možnosti potenciálních aplikací.

Popište, co byste označil jako životnost frekvenčního měniče

Stejně jako životnost motoru závisí i životnost frekvenčního měniče jak na podmínkách okolního prostředí, tak na provozních podmínkách. Udržujte frekvenční měnič při okolní teplotě v rámci jeho specifikací. Jeho chladicí otvory musejí zůstat za každých okolností odkryté. Ujistěte se, že ventilátor funguje tak, jak má. Jedna věc, kterou je třeba poznamenat ohledně ventilátoru frekvenčního měniče, je, že může v provozu cyklovat a vypínat v závislosti na odběru proudu. Vyšší proud způsobí, že se chladič frekvenčního měniče více zahřívá, takže ventilátor nemusí běžet při nižším zatížení. U vašich frekvenčních měničů je třeba dodržovat také osvědčené postupy údržby a v těchto případech doporučuji konzultaci s výrobcem.

Porovnejte životní cykly indukčních a PMAC invertorových motorů

Komerčně dostupné motory na střídavý proud s permanentními magnety (PMAC) jsou na tomto trhu relativně nové. Ačkoli způsob jejich konstrukčního řešení je znám již mnoho let, bývají obvykle sestavovány pouze na zvláštní objednávku. Mnoho výrobců je dnes sice uvádí ve svých katalozích, ale mohou být docela drahé a většinou mají velmi dlouhé dodací lhůty. Dokončili jsme testování v naší laboratoři na některých motorech PMAC, ale pouze za účelem mapování jejich účinnosti, nikoli pro ověřování délky jejich životního cyklu nebo spolehlivosti. I mě by zajímaly výsledky, pokud jsou tato testovací data někde k dispozici.

Existuje softwarový nástroj pro efektivní zjišťování skutečné energie spotřebované motorem?

Většina měřicích zařízení by měla být dodávána s určitým typem softwaru. V naší laboratoři používáme vysoce přesné analyzátory výkonu od společnosti Yokogawa s hardwarem pro sběr dat od National Instruments a vybavené softwarem značky LabVIEW. Měřič, který rád používám k měření a ověřování v terénu, je Fluke 355. Poskytuje údaje o napětí, proudu a účiníku. Je dražší než standardní multimetr, ale jste schopni získat skutečná data o výkonu, protože také získáváte informace o účiníku.

Figure 2Obrázek 2: Velký dynamometr používaný k testování. Je dimenzován na výkon až 224 kW při 1800 ot./min. Motor spojený s dynamometrem (viz fotografie) disponuje výkonem 149 kW. Obrázek publikován se svolením společnosti Advanced Energy

Pořídili jsme si VZT jednotku o výkonu 250 HP (cca 186 kW), která bude vybavena frekvenčním měničem. Existuje nějaká maximální vzdálenost, která musí být dodržena v souvislosti s instalací frekvenčního měniče, vůči motoru? Potřebuji také filtry pro harmonické?

U této konkrétní aplikace bych doporučil konzultaci s výrobcem frekvenčního měniče. Určitě vám nejlépe poradí ohledně délky kabelu a potřebného pomocného vybavení, ať už se jedná o síťový filtr, DC tlumivku, zátěžový filtr nebo jiné záležitosti.

Jaká je maximální vzdálenost kabelu mezi motorem na střídavý proud a frekvenčním měničem?

To vše je relativní a záleží na konkrétní aplikaci. Čím kratší, tím lepší, protože delší kabely povedou k vyššímu špičkovému napětí na svorkách motoru. Doporučuji konzultovat případ od případu s výrobcem frekvenčního měniče.

Jaké jsou rozdíly mezi „relé pro řízení motoru“ a „relé pro ochranu motoru“?

Mám s nimi omezené zkušenosti, ale myslím, že relé pro ochranu motoru odkazuje na proudové relé proti přetížení, které se zaměřuje pouze na samotný proud. Relé pro řízení motoru má širší využití a může mít schopnosti monitorovat proud a napětí. Tímto typem zařízení lze tedy pozorovat sled fází, přepětí, podpětí a nevyváženost napětí. Společnost Advanced Energy v minulosti dokončila testování a výzkum dvou typů těchto zařízení: monitoru fází a relé na přetížení. Pokud byste měli zájem o bližší informace, neváhejte mě kontaktovat.

Měli bychom vzít v úvahu hodnotu zatěžovatele při výpočtu přetížení?

Zatěžovatel je určen pro krátkodobé přetížení. Pokud motor provozujete nepřetržitě se zatěžovatelem (např. 1,15 nebo 1,25), pravděpodobně nevydrží tak dlouho jako při jmenovitém zatížení.

Mám dotaz ohledně ventilátorů chlazení motoru u frekvenčních měničů. Jaké jsou minimální otáčky, než budeme k chlazení motoru frekvenčního měniče potřebovat samostatný motor ventilátoru? Ovlivňuje instalace frekvenčního měniče hodnotu účiníku v podniku?

To bude třeba prozkoumat individuálně u každé aplikace. Motory s invertorovým provozem by měly mít na štítcích jmenovité hodnoty konstantního točivého momentu a proměnného točivého momentu. Pokud je zátěž v těchto mezích, neměla by být nutná instalace dalšího externího chlazení. Pokud provozujete motor mimo tyto rozsahy otáček / točivých momentů, měli byste se poradit s výrobcem motoru. Instalace frekvenčního měniče přidává do systému kapacitu, takže pokud máte v tuto chvíli primárně indukční zátěž (tj. velké množství motorů), hodnota účiníku by se pravděpodobně zlepšila přidáním frekvenčních měničů. Pokud jsou zdrojem hlavního zatížení osvětlení, jiné kapacitní zdroje nebo čistě odporové zdroje, pak frekvenční měniče hodnotu účiníku nezlepší a mohou ji dokonce zhoršit.

Vykazuje nadměrně dimenzovaný motor poháněný frekvenčním měničem také nízký účiník?

Těžko říct. Motor, který je pro danou aplikaci předimenzován, bude obecně vykazovat nízký účiník, protože magnetizační proud hraje větší roli v celkovém odběru proudu. Když však přidáte frekvenční měnič, kapacita systému se výrazně zvýší, takže účiník se zvýší u všech zátěží. Nejsem si však jistý, o kolik to bude. Opravdu bychom mohli použít některá testovací data pro přesnější odpověď.

Figure 3Obrázek 3: Ačkoli mnoho indukčních motorů může být podobných, kvalita provedení určuje míru spolehlivosti a životní cyklus daného motoru. Během analýzy inspekční montáže motoru se hodnotí kvalita provedení kompletní montáže motoru a jsou navrhována doporučení ohledně potenciálních vylepšení. Obrázek publikován se svolením společnosti Advanced Energy

Pokud je nainstalován záložní motor a čerpadlo, jaký je nejlepší postup pro provoz záložního motoru/čerpadla?

Proces střídavého provozování v různých časových intervalech je pro tyhle situace populární. Pokud máte k dispozici záložní nebo rezervní motor/čerpadlo, můžete jej střídavě provozovat s hlavním, abyste zajistili rovnoměrné opotřebení obou strojů v průběhu času. Každá z kombinací motor/čerpadlo se může střídat a být uvedena do pohotovostního režimu a pak si jen vyberete libovolné časové období, které považujete za vhodné, a to podle týdne, měsíce nebo i jinak.

Měly by být řemenové pohony vybaveny jehlovými ložisky na rozdíl od standardních válečkových ložisek?

Jehlová ložiska se obvykle používají pro aplikace s velmi vysokými otáčkami nebo s velmi malým zatížením. Jsou častější v automobilovém průmyslu. U řemenových pohonů byste měli používat válečková ložiska, nikoli standardní kuličková ložiska.

Je typické slyšet stížnosti na elektronický šum (např. problémy s ovládacími prvky atd.) související s používáním frekvenčních měničů?

Ano, to může být docela běžné. To je jeden z důvodů, proč byste měli pro všechna připojení frekvenčních měničů používat kabely specifické pro připojení k frekvenčním měničům. Většina výrobců frekvenčních měničů to stejně doporučuje s tím, že kabely jsou sice dražší než standardní, ale jejich použitím můžete zmírnit některé problémy související s elektronickým šumem.

Jakým způsobem můžu odlehčit výkon motoru, který provozujeme u nás v Texasu při teplotě okolí cca 46 °C + 8 °C uvnitř kotelny? (Potřebuji motor pro okolní teplotu 55 °C, ale běžně nejsou k dispozici.)

Domnívám se, že pokud provozujete motor nad jeho jmenovitou teplotou okolí, měli byste odlehčit nárůst teploty vinutí. Jinými slovy, pokud máte motor třídy izolace F pro okolní teplotu 40 °C, měl by být povolený nárůst teploty vinutí obvykle kolem 105 °C nebo méně. Pokud se okolní teplota zvýší na 55 °C, znamená to, že by měl být nárůst teploty snížen na 90 °C nebo méně. Pokud jde o odlehčení výkonu motoru, nemám ponětí. Myslím, že by vám s tím měl poradit výrobce. Ve vámi popisovaném případě by mohla fungovat ještě jedna věc: Pokud v současné době používáte motor třídy izolace F, pořízením motoru, který je vybaven izolací třídy H, si můžete dovolit provozovat motor při vyšší povolené provozní teplotě.

Do našeho provozu je dodáváno nesymetrické fázové napětí (občas až 5 %). Poradíte mi, jak je přesvědčit, aby si zjednali nápravu, a jaké mohou být náklady na současnou situaci, pokud jde o předčasné selhání motoru?

Podle smlouvy o dodávkách elektrické energie by měl být váš provoz zcela jistě udržován na vyšším standardu, než odpovídá 5% nesymetrii napětí (většina provozů, které jsem měl možnost kontrolovat, se pohybovala na hodnotách max. 2 až 3 %). Kontaktoval bych je přímo a vyžadoval bych, aby poslali odborníka s licencí, aby provedl měření a ověřil napětí ve vašem podniku. Pokud odmítnou, budete si to muset změřit a ověřit sami nebo si najmout třetí osobu. Pokud jsou však vaše motory provozovány při takto vysoké nesymetrii po delší dobu, určitě to z dlouhodobého hlediska stojí nemalé peníze. V našem oboru se řídíme takovou nepsanou rovnicí, že „každé jednoprocentní nesymetrii napětí odpovídá sedmiprocentní nesymetrie proudu“. Při pětiprocentní nesymetrii napětí je pravděpodobné, že alespoň jeden z vašich třífázových vodičů proudu je výrazně nad jmenovitou hodnotou u každého jednotlivého motoru.

Kolik energie u motoru o výkonu 37,3 kW spotřebuje motor při chodu naprázdno? Má smysl vypnout motor, když není zatěžován? Časté restarty přece mají vliv na předčasné opotřebení motoru?

Bez zátěže bude motor s výkonem 37,3 kW pravděpodobně stále spotřebovávat 1 až 2 kW (při velmi nízkém účiníku). Pravděpodobně však nechcete úplně vypnout motor, pokud musíte často restartovat motory. Představujete ideální adepty pro aplikaci frekvenčních měničů k efektivnímu řízení procesů. Pokud není potřeba zátěž, frekvenční měnič zpomalí motor až k úplnému zastavení, a když je to nutné, je schopen rozběhnout motor bez extrémního zapínacího proudu (který bývá aplikován při startu linky).

Figure 4Obrázek 4: Když je elektromotor napájen energií ze sítě, je vidět čistá sinusová vlna. Jakmile je do obvodu přidán frekvenční měnič (VFD), kapacitní povaha VFD povede k napěťovým a proudovým harmonickým v systému. Toto je tvar křivky zaznamenané na vstupních svorkách frekvenčního motoru u plně zatíženého elektromotoru připojeného k výstupu frekvenčního měniče (neznámá dimenze). Obrázek publikován se svolením společnosti Advanced Energy

V jakém okamžiku se vyplatí pořízení softstartérů motoru? Existuje bod zlomu pro použití softstartérů založených na výkonu motoru?

Nejsem si jistý. Myslím, že je to specifické pro konkrétní zařízení a aplikace, a to v závislosti na velikosti vstupního transformátoru a na frekvenci spouštění motoru v celém podniku. Softstartéry mohou být přínosné, pokud se snažíte pouze snížit zapínací proud. Chcete-li dosáhnout skutečné úspory energie, investujte své peníze a místo toho nainstalujte (a naprogramujte) frekvenční měnič.

Zmínil jste se, že předimenzovaný elektromotor je neúčinný. Překonává frekvenční měnič tuto neúčinnost při srovnání míry zatížení?

Pro aplikace s proměnným zatížením lze naprogramovat frekvenční měnič tak, aby snižoval otáčky motoru, když je aplikováno nižší zatížení. Snížení otáček stroje poskytuje úspory energie na základě zákonů afinity. Pokud však začínáte od nuly, frekvenční měnič a motor by měly co nejblíže odpovídat potřebnému zatížení pro dosažení maximální energetické účinnosti. Pamatujte, že větší motor bude mít vyšší magnetizační proud než menší. Například pokud máte aplikaci s výkonem 3,7 kW a používáte motor s výkonem 7,5 kW, nedosahujete účinnosti, kterou byste měli mít pouze při 50% zatížení, a kvůli vyššímu odběru proudu máte vyšší spotřebu kW.

Jaký bude účiník, když jej měříme na straně napájení frekvenčního měniče?

Frekvenční měniče obecně zlepšují účiník systému, protože kapacita frekvenčního měniče „kompenzuje“ indukčnost motoru a distribučních vedení. Pokud je frekvenční měnič správně nadimenzován a motor běží téměř na plný výkon, měl by být účiník vysoký. Avšak ne všechny frekvenční měniče jsou stejně konstrukčně řešeny. Během let jsem viděl několika frekvenčních měničů, které vykazovaly nízký účiník na straně napájení.

Jak snižují frekvenční měniče životnost motoru? Měly by se u frekvenčních měničů používat motory se specifickou izolační třídou?

Existuje mnoho způsobů, jak frekvenční měniče snižují životnost motoru. V prezentaci jsem se této problematice věnoval dosti zeširoka. Jedním ze způsobů je přehřátí motoru. Ze zkušeností v laboratoři lze očekávat, že při provozu motoru na síťový výkon 60 Hz a při následném provozu stejného motoru při 60 Hz prostřednictvím frekvenčního měniče se zvýší teplota o 10 až 15 °C. Doporučuji použít u motorů poháněných frekvenčními měniči alespoň izolaci třídy F a možná i třídy H. Rovněž zkontrolujte, zda je motor v provozu se střídačem.

Jsou výrobci frekvenčních měničů schopni poskytnout uživatelům konfiguraci harmonických pro případ simulace zpráv o harmonickém zkreslení?

Harmonické budou značně ovlivněny velikostí napájecího zdroje ve vašem podniku a také vstupním napětím. Pokud výrobce frekvenčních měničů zná velikost a impedanci vašeho vstupního transformátoru a přesné vstupní napětí, měl by být schopen dodat harmonický obsah svého produktu. Chcete-li zobrazit hodnoty harmonických pro reálné frekvenční měniče, podívejte se na seznam výrobců frekvenčních měničů certifikovaných dle AHRI: https://www.ahridirectory.org/NewSearch?programId=71&searchTypeId=3.

Mohl byste definovat termín „krátký“ s ohledem na délku kabelu?

Bohužel se skutečně v tomto ohledu jedná o relativní pojem. V každém případě čím kratší, tím lepší. Asociace NEMA MG-1 uvádí doporučení pro limity dv/dt. Poměr dv/dt představuje lepší způsob, jak posoudit kvalitu frekvenčního měniče podle konkrétní aplikace motoru, ne jen podle délky kabelu.

Máte informace o spolehlivých obecných údajích o účinnosti motorů při různých zatíženích a rychlostech otáčení, když jsou poháněny frekvenčním měničem?

Údaje o účinnosti motoru s frekvenčním měničem je těžké najít, i když tento typ testování provádíme často v naší laboratoři. Na většinu výsledků jsou bohužel uplatňována vlastnická práva. Pokud se podíváte na seznam výrobců frekvenčních měničů certifikovaných dle AHRI, najdete účinnost systému, kterou tito výrobci uvedli pro své výrobky s motory: https://www.ahridirectory.org/NewSearch?programId=71&searchTypeId=3.

Lze frekvenční měnič připojit k jakémukoli 3fázovému motoru se 3 vodiči?

Obecně řečeno ano. Ujistěte se však, že vámi zvolený frekvenční měnič odpovídá hodnotám napětí, proudu a frekvence motoru. Pouhá instalace frekvenčního měniče do vaší aplikace vám však moc nepomůže. Před použitím frekvenčního měniče bych doporučil, aby byl motor určen pro provoz se střídačem. Dobrou praxí je také použít uzemnění hřídele a mít k dispozici motor alespoň izolační třídy F. Nakonec bude nutné po instalaci správně naprogramovat frekvenční měnič, aby bylo možné ověřit, že dosahujete správné míry řízení procesu a požadovaných úspor energie.

Setkáváme se s velkým množstvím zařízení, která používají indukční motory v situacích, kdy se pohybují od bezzátěžového stavu až po plné zatížení, často aplikované v krátkých časových rámcích. Měřením zjišťujeme děsivou hodnotu účiníku, nepravidelnosti napětí a nežádoucí harmonické. Řešení, která by zapadla do stávajícího způsobu řízení a fyzických prostor, jež máme k dispozici, pro nás představují velkou výzvu. Poradil byste nám, jak to řešit?

Používáte u vás v současné době frekvenční měniče? Pokud tomu tak není, mohly by pomoci kompenzovat některé nepravidelnosti účiníku a napětí a zároveň udržet spouštěcí proud jednotlivých motorů na nižší úrovni. Použití jednoho frekvenčního měniče k ovládání více motorů nebo použití mnoha frekvenčních měničů a programovatelného logického automatu (PLC) představuje obě možnosti zlepšení.

Advanced Energy spolupracuje s mnoha elektrárenskými společnostmi, ministerstvy a širokou řadou soukromých organizací, které se věnují bydlení, obchodu a průmyslu, solárním systémům, motorům, pohonům a elektrodopravě. Mezi jejich zákaznicky přizpůsobené služby patří výzkum, testování, školení, konzultace a navrhování programů.

Řízení a údržba průmyslového podniku

Časopis Řízení a údržba průmyslového podniku již přes 10 let patří mezi neodmyslitelný zdroj informací v oblasti průmyslové údržby a diagnostiky. Část obsahu je z pera licenčních autorů Plant Engineering z USA.

www.udrzbapodniku.cz