Marki produktowe VLT i VACON należące do Danfoss Drives to nowoczesne rozwiązania napędowe o szerokim zakresie zastosowań. Przetwornice Danfoss umożliwiają sterowanie wszystkimi dostępnymi na rynku typami silników elektrycznych, z wysoką efektywnością w całym zakresie pracy. Nowością jest możliwość sterowania silnikami reluktancyjnymi.

Producenci stosują wiele koncepcji konstrukcji silników elektrycznych w celu uzyskania wysokiej sprawności układów napędowych w zastosowaniach przemysłowych, komunalnych i budynkowych. Choć większość technologii silnikowych zapewnia porównywalną sprawność w nominalnym punkcie pracy układu, różnią się one pod wieloma względami w obszarze parametrów rozruchowych i charakterystyki pracy pod niepełnym obciążeniem. Dla użytkowników głównym skutkiem dużej różnorodności technologii sterowania silników jest potrzeba znalezienia technologii odpowiedniej do danego zastosowania tak, aby zmaksymalizować sprawność energetyczną i uzyskać związane z tym korzyści.
W zasadzie prawie wszystkie silniki można eksploatować z regulowaną charakterystyką zasilania, określając wymagane napięcie dla poszczególnych prędkości obrotowych lub częstotliwości wyjściowej (charakterystyka napięciowo-częstotliwościowa). Jednak maksymalną sprawność – wynikającą z poszczególnych technologii silnikowych – można w praktyce uzyskać z użyciem algorytmów sterowania specjalnie przygotowanych dla danej technologii. W przeciwnym razie nie jest możliwa optymalizacja pracy silnika dla każdego punktu pracy przy zmiennym obciążeniu.

Przetwornice Danfoss mogą być stosowane we wszelkich aplikacjach przemysłowych, komunalnych i budynkowych

Synchroniczne silniki reluktancyjne

W synchronicznych silnikach reluk tancyjnych wykorzystuje się technologię znaną od dawna. W przeszłości były one optymalizowane pod względem momentu obrotowego lub wielkości korpusu, jednak obecnie nacisk w projektowaniu kładzie się na sprawność energetyczną. Silniki te wykorzystują siłę reluktancji, która wynika ze zmian oporu magnetycznego. Obecnie specjalnie zaprojektowane wycięcia w wirniku prowadzą linie pola magnetycznego wewnątrz wirnika w celu wytworzenia momentu reluktancyjnego z wysoką sprawnością. Synchroniczne silniki reluktancyjne wymagają do pracy przetwornicy częstotliwości.
Firma Danfoss rozwija technologie obsługi wszystkich powszechnie stosowanych typów silników. Algorytm sterowania silnikami reluktancyjnymi jest już dostępny w standardowej przetwornicy Danfoss Drives. Przetwornice częstotliwości Danfoss dotychczas oferowały algorytmy sterowania zapewniające wysoką sprawność standardowych silników indukcyjnych i silników z magnesami trwałymi (PM). Obecnie, począwszy od VLT AutomationDrive FC 302, obsługują również synchroniczne silniki reluktancyjne. Dodatkowo, dzięki zastosowanym rozwiązaniom, ustawienie programu, dopasowanie algorytmu pracy i uruchomienie silnika reluktancyjnego przy wdrożeniu do eksploatacji jest tak samo łatwe, jak w przypadku standardowych silników indukcyjnych. Jedna z oferowanych przez przetwornicę funkcji to automatyczna adaptacja silnika, która mierzy charakterystykę silnika i odpowiednio optymalizuje jego parametry – silnik zawsze pracuje z najwyższą możliwą sprawnością, umożliwiając zmniejszenie zużycia energii i kosztów eksploatacji.

Uniwersalne sterowanie

Niemal wszystkie powszechnie stosowane technologie silnikowe wymagają sterownika elektronicznego lub mogą być sterowane elektronicznie. Co jednak, gdy nie jest dostępny sterownik, który pozwala zarządzać wszystkimi wariantami silników? Pojawia się wówczas konieczność stosowania bardzo zróżnicowanych układów sterowania. W praktyce oznacza to wyższe koszty szkolenia projektantów i operatorów układów, jak również konieczność budowania szerszej bazy serwisowej i magazynowania części zamiennych do różnego rodzaju urządzeń. Z tego punktu widzenia możliwość obsługiwania wszystkich rodzajów silników przetwornicą częstotliwości tylko jednego typu jest korzystna dla użytkowników, ponieważ znacznie redukuje wymienione wyżej dodatkowe nakłady.
Rozwiązanie VLT AutomationDrive umożliwia sterowanie jednym urządzeniem wszystkich standardowych silników powszechnie stosowanych w automatyce przemysłowej, komunalnej i budynkowej. Daje to operatorom instalacji możliwość stosowania tego samego interfejsu operatora, tych samych interfejsów układów, tych samych rozszerzeń oraz sprawdzonej technologii w całym zakresie mocy. Zarządzanie częściami zamiennymi i ich obsługa ulegają uproszczeniu, spadają także koszty szkoleń.

Silniki elektryczne: a – indukcyjny klatkowy, b – PM z magnesami trwałymi, c – synchroniczny reluktancyjny

Sprawność silników – regulacje

Minimalne poziomy sprawności silników elektrycznych są określone w Unii Europejskiej rozporządzeniem (WE) nr 640/2009. Rozporządzenie (UE) nr 4/2014 rozszerza zakres silników elektrycznych objętych tymi regulacjami. Wymienione rozporządzenia ustanawiają nowe klasy sprawności, których obecne limity dla IE1 (najniższa klasa) do IE3 zaczerpnięto z normy EN 60034-30. Norma EN 60034-30-1 określa limity dla klasy IE4, które nie zostały ujęte w aktach prawnych. Aby osiągnąć minimalną sprawność przewidzianą dla wielu z tych klas, konieczne są zmiany stosowanych technologii silnikowych, jak również wprowadzenie nowych lub usprawnionych technologii silnikowych. W rezultacie użytkownicy mają do czynienia z różnorodnymi tendencjami na rynku.
Obecnie dostępne technologie silnikowe to:
• standardowy silnik indukcyjny,
• silnik z wirnikiem miedzianym,
• silnik z magnesami trwałymi,
• silnik EC (przypadek szczególny),
• silnik z magnesami trwałymi o rozruchu bezpośrednim,
• synchroniczny silnik reluktancyjny.

Aspekty środowiskowe

Wiele silników i napędów elektrycznych marnuje energię z powodu pracy w nieoptymalnym zakresie. Silniki są często przewymiarowane w wyniku stosowania „marginesu ostrożności” w projektowaniu i planowaniu, a zatem w większości przypadków pracują pod obciążeniem niższym niż znamionowe. Silniki takie pracują ze zmniejszoną prędkością obrotową i zmniejszonym momentem obrotowym. W związku z tym konstruktorzy napędów przywiązują coraz większą wagę do optymalizacji skutków środowiskowych pracy niedociążonych regulowanych układów, a w szczególności ich sprawności energetycznej.
Kolejnym aspektem zgodności środowiskowej silników elektrycznych jest ich wielkość mechaniczna. Zmniejszenie wymiarów silników zmniejsza ilość materiałów zużywanych podczas produkcji oraz koszty utylizacji.
Wykorzystywanie silników o większej sprawności wprowadza dodatkowo nową płaszczyznę do rozważań na temat stosowania przetwornic częstotliwości. Przede wszystkim, sterowanie prędkością poprzez przetwornicę częstotliwości daje bardzo duże możliwości zmniejszenia zużycia energii i kosztów. Po drugie, niektóre technologie silnikowe mogą być stosowane tylko wraz z tą techniką.

Przetwornice Danfoss VLT AutomationDrive pozwalają sterować wszystkimi typami silników, w tym silnikami reluktancyjnymi

Optymalizacja

Podczas łączenia przetwornicy częstotliwości z silnikiem, wstępną orientację zapewniają dane o mocy w kilowatach. Do pełnego dostrojenia urządzeń trzeba jednak również dopasować prądy lub moce pozorne (dotyczy to w szczególności synchronicznych silników reluktancyjnych). Ważne jest także, by przetwornica częstotliwości była w stanie obsługiwać przeciążenia niezbędne w danym zastosowaniu. Wynoszą one zwykle 110% w przypadku wentylatorów i pomp oraz 160% w przypadku przenośników taśmowych lub podnośników.
Jeżeli stosowana jest przetwornica częstotliwości o jeden rozmiar większa niż potrzebna do danego zastosowania, na przykład w celu obsługi większego przeciążenia, nie ma to negatywnego wpływu na zużycie energii, ze względu na wyższą sprawność większej przetwornicy. Inaczej jest w przypadku silnika, ponieważ przewymiarowanie ma znacznie poważniejsze skutki.
W zależności od konstrukcji silnika, sprawność w punkcie pracy danego zastosowania może być nawet większa niż przy obciążeniu pełnym. Przetwornice częstotliwości, w których wykorzystuje się metody sterowania dostosowane do technologii silnikowej, zapewniają odpowiednie namagnesowanie podczas pracy, między innymi pod obciążeniem niepełnym. Dotyczy to również zmiennych obciążeń. Na przykład w przetwornicach częstotliwości Danfoss do silników PM zastosowana została koncepcja MTPA (maksymalnego ilorazu momentu elektromagnetycznego i prądu stojana), która zapewnia maksymalną sprawność silnika każdej konstrukcji.

Podsumowanie

Większość standardowych silników trójfazowych na rynku bez żadnych problemów pracuje z nowoczesnymi przetwornicami częstotliwości. W procesie wyboru i instalacji użytkownicy powinni uwzględniać charakterystykę poszczególnych technologii. Więcej informacji o projektowaniu rozwiązań napędowych można uzyskać na stronie internetowej www.danfoss.pl/napedy.

Opracowano na podstawie
materiałów firmy Danfoss