Zalety i wady współczesnych metod rozruchu silników elektrycznych

Najbardziej rozpowszechnionymi rodzajami silników elektrycznych są obecnie modele indukcyjne niskiego i średniego napięcia. Dzieje się tak z powodu ich dostępności, prostej i solidnej konstrukcji oraz niskiej ceny. Jednocześnie rozruch i zatrzymywanie silników przemysłowych – a także inne operacje z nimi związane – stanowi dla wielu firm nie lada wyzwanie.
Podczas rozruchu i zatrzymania bezpośredniego (czyli bezpośredniego podłączenia do napięcia zasilającego – Direct On Line, DOL) przez silniki elektryczne niskiego i średniego napięcia płynie prąd nawet osiem razy większy od ich prądu znamionowego, występuje w nich też wówczas szybki wzrost momentu obrotowego. Taka charakterystyka rozruchu powoduje zarówno zapady napięcia w sieci zasilającej, jak i szybsze zużycie mechaniczne samych silników, a nawet w niektórych przypadkach zniszczenie podzespołów sprzętu, takich jak przekładnie, sprzęgła, wały, pasy, rozmaite wrażliwe części – jak również samych produktów.
Jednym z najbardziej rozpowszechnionych problemów związanych z rozruchem i zatrzymywaniem silników elektrycznych jest tzw. uderzenie hydrauliczne (water hammer effect, dosł. efekt młota wodnego) w rurociągach, spowodowane przez nagłe zmniejszenie się natężenia przepływu, gdy pompa przestaje działać. Chociaż silnik napędzający i pompa prawie nie podlegają naprężeniom mechanicznym, to inaczej wygląda to w zaworach i rurociągu. Naprawa takiego sprzętu jest bardzo czasochłonna i kosztowna.
Ponadto zakłady energetyczne i organy regulacyjne stale zwiększają wymagania dotyczące wykorzystania i skuteczności trójfazowych silników indukcyjnych, dążąc do redukcji zużycia energii oraz emisji CO2. Zmiana normy IEC 60034-
-30:2008, dokonana w roku 2014, dotyczyła zużycia energii, sprawności energetyczneji klas sprawności energetycznej trójfazowych silników elektrycznych. Klasy te są obecnie następujące:
-> IE1 – silniki o sprawności standardowej (standard efficiency)
-> IE2 – silniki o wysokiej sprawności (high efficiency)
-> IE3 – silniki o sprawności premium (premium efficiency)
-> IE4 – silniki o sprawności super premium (super premium efficiency)
Dla firm coraz większą rolę odgrywa posiadanie certyfikatów zgodności produktów z normą ISO 14001, ponieważ stale rośnie popyt na rozwiązania napędów o wysokiej sprawności i niskich stratach energetycznych. Im wyższa klasa sprawności energetycznej, tym bardziej konkurencyjny staje się produkt danej firmy.
Regulacje dotyczące sieci elektroenergetycznych i układów rozruchu
Niestabilność sieci elektroenergetycznych znacznie wzrosła od czasu przyłączania do nich dostawców energii odnawialnej. Fakt ten spowodował wprowadzenie przez operatorów sieci bardziej restrykcyjnych przepisów dla nowych odbiorców energii. Szczególnie w odniesieniu do napędów elektrycznych wykorzystujących układy łagodnego rozruchu (softstarty) i przemienniki częstotliwości dla silników na napięcia znamionowe powyżej 1 kV.
Większość instrukcji technicznych i wymagań dodatkowych uwzględnia już te regulacje.
Aby wykonać rozruch i zatrzymanie silnika w sposób technicznie rozsądny i wydajny energetycznie, zaleca się użycie kilku układów rozruchu i metod rozruchu. Często preferowanym rozwiązaniem jest powszechnie używany układ rozruchu z przełącznikiem „gwiazda/trójkąt” – ze względu na jego małe wymiary, niską cenę i uzyskiwane zmniejszenie natężenia prądu rozruchowego.
Jednak wspomniany układ ma także duże wady. Nie oferuje użytkownikowi regulacji charakterystyki rozruchu, zaś łagodne zatrzymanie (soft stop) w ogóle nie jest możliwe. Do podłączenia silnika potrzeba aż sześciu przewodów, co znajduje odbicie w kosztach. Ponadto podczas przełączania „gwiazda/trójkąt” mogą wystąpić udary prądowe i wysoki moment obrotowy. Tak więc ogółem optymalne zabezpieczenie silnika jest możliwe jedynie po dodaniu kolejnych komponentów, co oczywiście oznacza zwiększenie wydatków.
Podobnie jak układ rozruchowy „gwiazda/trójkąt”, zmniejszenie prądu rozruchowego zapewnia też układ z autotransformatorem, ale wymaga on dużo przestrzeni w rozdzielnicy (szafie sterowniczej) i jest stosunkowo drogi. Ograniczona dopuszczalna liczba rozruchów na godzinę redukuje też możliwość wykorzystania tej opcji w bardziej wymagających aplikacjach. Z tego powodu – i ze względu to, że przełączenie charakterystyki rozruchu działa tylko w urządzeniach elektromechanicznych – układy rozruchowe z autotransformatorami są rzadziej używane.

Przemienniki częstotliwości
W przemiennikach częstotliwości (falownikach) przewidziano płynną regulację różnych parametrów układu zasilania silnika elektrycznego, ale są one drogie. Wiele firm wykorzystuje jednak te układy w swoich napędach. Silnymi argumentami przemawiającymi na korzyść przemienników są zarówno płynna regulacja charakterystyki rozruchu z utrzymaniem przez silnik znamionowego momentu obrotowego, jak też płynna i precyzyjna regulacja prędkości obrotowej silnika. Tak więc przemiennik częstotliwości umożliwia bezpośrednią regulację wymaganego momentu obrotowego, poprzez ciągłą regulację napięcia i częstotliwości napięcia zasilającego silnik. Prowadzi to do zwiększenia sprawności mechanicznej całego układu napędowego.
Ponieważ dla przemienników częstotliwości potrzebny jest układ sterowania, firmy stają przed koniecznością poniesienia dodatkowych wydatków. Aby uniknąć uszkodzeń podczas eksploatacji, silniki współpracujące z przemiennikami wymagają odizolowanej przestrzeni roboczej, co zwiększa koszt ich eksploatacji. Ponadto sprawność energetyczna przemiennika częstotliwości, szczególnie w przypadku urządzeń niższej klasy, pozostawia wiele do życzenia – straty elektryczne mogą wynosić nawet 5%. Przemiennik częstotliwości może być też źródłem zaburzeń elektromagnetycznych (EMI) w sieci energetycznej. Sprawą kluczową bywa także duża ilość ciepła wydzielana przy zmniejszaniu momentu napędowego.
Alternatywa: układ łagodnego rozruchu
Bardziej ekonomiczną alternatywą dla wyżej wymienionych metod rozruchu jest układ miękkiego rozruchu (softstart). Z powodu wykorzystanej technologii półprzewodnikowej nie jest on wymagający w zakresie konserwacji i oferuje różne charakterystyki rozruchu oraz zatrzymywania silników.
Faza rozruchu trwa przez okres maksymalny, ok. 30 sekund, po którym softstart przełącza się w tryb bypass (obejścia tyrystorów za pomocą styczników). Emisja zaburzeń EMI do sieci występuje tylko podczas rozruchu i zatrzymywania. Wydzielanie ciepła ma miejsce również jedynie w krótkim okresie faz rozruchu i zatrzymywania. W ten sposób układ łagodnego rozruchu zmniejsza naprężenia mechaniczne.
W porównaniu z przemiennikami częstotliwości softstarty są znacznie mniejsze i osiągają wysoką sprawność – ponad 99%.
Wprowadzanie nastaw parametrów rozruchu i zatrzymywania jest łatwe. Tak więc można indywidualnie ustawić parametry regulacji napięcia zasilającego oraz czasy rozpędzania (ramp-up) i wybiegu (ramp-down) silnika. Softstarty są wykorzystywane w wielu aplikacjach przemysłowych, szczególnie w napędach, które wymagają łagodnej zmiany momentu napędowego, zmniejszenia prądu rozruchowego oraz w sieciach o małym dopuszczalnym prądzie maksymalnym. Urządzenia typu softstart psują się znacznie rzadziej niż przemienniki częstotliwości. Wykorzystują jako elementy sterujące tyrystory lub triaki, które są bardziej niezawodne niż tranzystory bipolarne z izolowaną bramką (IGBT), stosowane w falownikach. Jeśli nie wymaga się regulacji prędkości obrotowej – a ze względu na konieczność powodowania jak najmniejszych zaburzeń w sieci oraz zapobiegania zużyciu mechanicznemu pożądana jest możliwość łagodnego rozruchu – to softstart będzie oczywistym wyborem.
Autor: Andreas Fornwald jest dyrektorem zarządzającym i dyrektorem generalnym (CEO) w firmie Igel Electric GmbH (Niemcy).
Tekst pochodzi z nr 5/2017 magazynu "Control Engineering". Jeśli Cię zainteresował, ZAREJESTRUJ SIĘ w naszym serwisie, a uzyskasz dostęp do darmowej prenumeraty w formie drukowanej i/lub elektronicznej.