M. TUFEGDŽIĆ, A. ĐURĐEVIĆ Institut za nuklearne nauke VINČA Centar za protiveksplozionu zaštitu CENEx, Beograd, p p. 522,

Transcription

1 ZAHTEVI ZA USAGLAŠENOST ELEKTRIČNIH ROTACIONIH MAŠINA NAPAJANIH PREKO FREKVENTNIH KONVERTORA SA DIREKTIVOM 94/9/EC - ATEX CONFORMITY ASSESSMENT OF CONVERTER FED ELECTRICAL DRIVES WITH REQUIREMENTS OF DIRECTIVE 94/9/EC - ATEX M. TUFEGDŽIĆ, A. ĐURĐEVIĆ Institut za nuklearne nauke VINČA Centar za protiveksplozionu zaštitu CENEx, Beograd, p p. 522, tufe@vinca.rs Rezime: Upotreba frekventnih konvertora preko kojih se napajaju asinhroni električni motori u svrhu kontrole njihove brzine obrtanja je veoma rasprostranjeno. To je veoma podesan način kojim se rešava niz tehnoloških problema koje motori moraju da reše. Područje primene je praktično čitava industrija koja uključuje i petrohemijske i ostale procese koji se mogu odvijti u eksplozivnim atmosferama. Osim evidentnih prednosti, korišćenje konvertora ima i neke nedostatke u odnosu na mrežno napajanje. Oni se prvenstveno odnose na različitost u nazivnim karakteristikama. Kod upotrebe konvertora u eksplozivnim atmosferama oni dodatno utiču na degradaciju tzv. protiveksplozione zaštite motora koju svaki takav uređaj mora da poseduje. Upravo će uticaj konvertora na postupak ocenjivanaj usaglašenosti (putem ispitivanje tipa uređaja) sa Direktivom ATEX biti prezentovan u ovom radu. Ključne reči: eksplozivne atmosfere, protiveksploziona zaštita, motori napajani konvertorom, direktiva ATEX Abstract: Converter fed asynchronous motors (for the speed control) is widely used. It is very suitable way to solve many technological problems arising that motors should solve. Area of application is whole industry including areas with explosive atmospheres. Although converter fed drives have many advantages, they also have some disadvantages compared to mains operation motors, as far as their ratings. Using of converters in explosive atmospheres negative affects to explosion protection of motors. In this paper will be present specific problems during type testing required by Directive ATEX Key Words: explosive atmospheres, explosion protection, converter fed motors, Directive ATEX 1. UVOD U velikom broju tehnoloških procesa potreba za korišćenjem obrtnog kretanja sa mogućnošću njegove kontrole (promene brzine) je veoma rasprostranjena. Taj problem se najefikasnije rešava upotrebom asinhronih elektromotora koji se napajaju preko frekventnih konvertora. Oni omogućavaju da se tada brzinom motora upravlja na veoma jednostavan način (direktnim podešavanjem frekvencije napajanja). Ovakva primena u petrohemijskom kompleksu, kada motor radi u eksplozivnoj atmosferi, međutim donosi izvestan rizik sa stanovišta suštinskih zahteva direktive ATEX (tj. adekvatnih harmonizovanih standarda) koje takav motor napajan sa frekventnim konvertorim mora da zadovolji. Naime, čist sinusni napon napajanja se zamenjuje sa modulisanim impulsima (npr. pravougaonim strujnim signalima u slučaju motora velikih snaga). Kod malih i srednjih snaga se primenjuju konvertori sa tzv. naponskim linkom. Ovde se dalje nećemo baviti samom tehnikom realizacije frekventnih konvertora. Jasno je međutima da tako izmenjen napon napajanja i promenljiva brzina moraju uticati na ukupno zagrevanje motora, što nužno dovodi do posebnih uslova ispitivanja na koje se mora obratiti pažnja prilikom ocenjivanja usaglašenosti tipa motora sa direktivom ATEX. U radu će upravo biti navedeni najkarakterističniji dopunski zahtevi na koje se mora obratiti pažnja kada se radi sa motorima napajanim preko frekventnih konvertora u odnosu na motore koji se napajaju preko sinusne mreže. 2. INSTALIRANJE MOTORA NAPAJANIH PREKO FREKVENTNOG KONVERTORA U EKSPLOZIVNIM ATMOSFERAMA Asinhroni motor sa promenljivim brojem obrtaja kada se instališe u eksplozivnim atmosferama sastoji se od tri glavna dela; frekventnog konvertora, motora i kontrolne jedinice. Iako su sve tri komponente odvojene, one zajedno kao sistem moraju da osiguraju ispravnost protiveksplozione zaštite. Šema vezivanja je prikazana na slici 1. Uobičajeno je da se konvertor ugrađuje izvan eksplozivne atmosfere. Motor je naravno u ugroženom prostoru i on je izveden u protiveksplozionoj zaštiti. Temperaturska klasa, odnosno najtoplija tačka motora se uobičajeno u ovom slučaju kontroliše putem temperaturskih senzora smeštenih u glavu namotaja motora. Kontrolna jedinica sa slike 1 upravo se odnosi na kontrolu temperature.

2 Senzori temperature su spojeni sa prekidačkom jedinicom koja prekida napajanje motora kada temperatura namotaja pređe zadati prag. Ovakav prekidački element je po pravilu smešten izvan ugroženog prostora i on predstavlja tipičan primer tzv. zaštitnog sistema koji su novouvedeni putem direktive ATEX. Naime, iako se direktno ne nalaze u eksplozivnoj atmosferi, od njihovog ispravnog rada direktno zavisi bezbednost čitavog sistema sa slike 1. Zbog toga prekidački element mora da poseduje sertifikat o usaglašenosti sa direktivom ATEX. Glavni element usaglašenosti u ovom slučaju je povećana funkcionalnost, odnosno smanjena mogućnost kvara ili greške u radu u odnosu na obične prekidače. 3. Oscilatorne frekvencije (preko 300 khz) mogu kod većih rastojanja da dovedu po prenapona kojima su izložene priključne stezaljke tj. vazdušna rastojanja i puzne staze. 3. MOTORI NAPAJANI PREKO FREKVENTNIOG KONVERTORA I TIPOVI PROTIVEKSPLOZIONE (Ex) ZAŠTITE Obzirom na različitost koncepcija pojedinih tipova Ex zaštite i zahtevi za motore sa konvertorima će se razlikovati u zavisnosti od tipa Ex zaštite motora. Kod motora napajanih preko mreže, temperatura se meri u skladu sa zahtevima za pojedinačni tip Ex zaštite. Svi Slika 1 Uticaj frekventnog spektra konvertora na pogoršanje elemenata protiveksplozione zaštite se može grupisati na sledeći način: 1. osnovna frekvencija (npr. od 5 Hz do 85 Hz) od koje direktno zavisi brzina obrtanja direktno utiče na zagrevanje motora, 2. frekvencija takta modulacije (od 1 khz do 20 khz) utiče na ležajeve i dodatno zagrevanje putem skin efekta Tabela 1 Tip zaštite: Sistem Konvertor/ Motor Merenje temperature koncept Ex zaštite Natpritisak p IEC EN nije obavezno da bude jedinstven Odsustvo Ex smeše Nepropaljivo kućište d IEC EN DA (jedinstven) NE, ako je temp. senzor predviđen prema IEC EN Kućište motori su izvedeni u jednoj od četiri tipa Ex zaštite prikazanih (zajedno sa odgovarajućim standardima) u tabeli 1. Za ispitivanje motora izvedenih u Ex zaštitama povećana bezbednost, e i u tipu zaštite n, motor i konvertor se smatraju kao jedinstven sistem i kao takav se ispituju. U sertifikatu se mora navesti tačan tip i karakteristike konvertora. Bilo kakva promena parametara konvertora ili korišćenje novijih tipova nije dakle moguća bez resertifikacije. Kod Ex zaštita nepropaljivo kućište, d i natpritisak, p je dozvoljeno da konvertori različitih tipova mogu biti kombinovani sa Povećana bezbednost IECEN DA (jedinstven) Tip zaštite n IEC EN DA (jedinstven) Sprečavanje propagacije plamena Neiskreći sistem Neiskreći sistem 2

3 motorom. Takođe ne postoji obaveza da se u sertifikatu navodi bilo kakav tip konvertora. Međutim, prema zahtevima standarda IEC EN , u slučaju d zaštite se zahteva upotreba kontrole temperature tj. PTC termistora utisnutog u namotaje i spojenog na prekidački element kao što je ranije rečeno. 4. ISPITIVANJE MOTORA NAPAJANIH PREKO KONVERTORA 4.1 Uticaj osnovne frekvencije Temperaturska klasa motora kao bitna karakteristika Ex zaštite se navodi u sertifikatu i ona je određena u odnosu na nazivni napon napajanja i definisanu varijaciju frekvencije. Motori koji su predviđeni samo za napajanje preko mreže, dodatno se karakterišu preko snage za odgovarajući nazivni broj obrtaja. Jasno je da kada se koristi konvertor, prethodne karakteristike koje odgovaraju mrežnom napajanju se značajno menjaju. Preko konvertora se podešavaju amplituda napona i varijacije osnovne frekvencije. Kriva obrtnog momenta motora, kao funkcija brzine na specifičan način određuje termičko ponašanje motora. Parametri pri startovanju motora i uslovi preopterećena su svakako određeni konvertorom i moraju se kao takvi podvesti pod najnepovoljnije uslove ispitivanja. Takođe promena brzine dovodi do različitog efekta hlađenja. Ispitivanja koja se odnose na efekat hlađenja treba sprovoditi pri najnižim vrednostima brzine. Sami konvertori imaju veći broj mogućih podešavanja koja će proizvoditi različite efekte na termičko zagrevanje. Tako sinusni filteri na izlazu konvertora redukuju veličinu napona na priključcima motora. Da bi se dobila ista snaga potrebno je da se struja poveća. Ovo povećanje struje dovodi do skoka temperature. Dakle svi parametri konvertora koji utiču na termalne efekte moraju da budu uključeni u ispitivanje zagrevanja. 4.2 Uticaj frekvencije modulacije Kada se koristi konvertor sa naponskim linkom, sinusni signal se zamenjuje sa četvrtastim modulisanim impulsima sa frekvencijom takta uobičajeno od 1 khz do 20 khz Amplitude visoke frekvencije takvog pravougaonog naponskog impulsa dovode do visokog strujnog talasa koji doprinosi dodatnom zagrevanju. Da bi se izbegla takvi impulsi u spektru modulacione frelvencije koriste se adekvatni sinusni filteri u kolu konvertora. 4.3 Uticaj tranzijentne frekvencije Brzi tranzistori snage koji se nalaze u konvertoru, kada su spojeni sa dugačkim vodovima (preko 10 m) mogu da produkuju putujuće talase na vodu. Pošto se linijska impedansa i impedansa namotaja statora razlikuju može se očekivati pozitivna refleksija na priključcima motora. Niz takvih tranzijentnih reakcija se odvija sa frekvencijama od 300 khz do 3 Mhz koja zavisi od parametara linijskog voda. Kod veoma dugačkih vodova (do 500 m) dolazi do neželjenih superpozicija talasa koji mogu dovesti do znatnih Slika 2 3

4 prenapona kojim će biti izloženi priključci motora i početni namotaji statora. Sve to značajno utiče na izolacioni sistem koji trpi povećana dielektrična naprezanja u odnosu na motora napajane iz mreže. Sve ovo se naravno mora uzeti u obzir prilkom ispitivanja sistema izolacije. 5. DODATNA TERMIČKA OGRANIČENJA Kod motora napajanih preko konvertora posebna pažnja se mora posvetiti porastu temperature na mestima kablovskog uvoda, na površini samog kabla i mestima priključenja u priključnoj kutiji gde visokofrekventne struje izazivaju dodatno grejanje. Kod svih mašina sa asimetričnim dizajnom dolazi do formiranja asimetričnih magnetnih polja. Takva polja indukuju od 10 do 500 mv duž osovine motora (slika 2). Kao posledica dolazi do toga da se strujno kolo zatvara preko ležajeva. Takve struje posebno kod velikih motora dovode do znatnih oštećenja ležajeva. Generalno za redukovanje visokofrekventnih struja kroz ležajeve treba koristiti širmovane provodnike. Takođe sva mesta na kojima se na osovini vrše kuplovanja treba da budu izolovana. 6. SERTIFIKACIJA MOTORA NAPAJANIH KONVERTOROM Postupak ispitivanja je definisan u relevantnim standardima za primenjenu vrstu Ex zaštite. Specifičnost motora napajanih preko konvertora je ta da je često potrebno izvršiti sertifikaciju samo za određenu primenu motora sa Slika 3. Šema ispitivanja motora napajanog konvertorom konvertorom. To se posebno odnosi na motore izvedene u Ex zaštitama e ili n. Naime obziroma na relativno složen postupak ispitivanja (videti šemu na slici 3) kod navedenih motora, mnogo je racionalnije vršiti ispitivanje za specifišnu namenu nego putem sertifikata pokrivati i one režime rada koji se ne ostavruju u datoj primeni. S druge strane kompletna ispitivanja za sve uslove rada motora mogu da dovedu do zahteva za znatnu redukciju izlazne snage motora. Zahtev za zajedničko ispitivanje motora i konvertora dovodi do veoma velikih troškova kod velikih motora. Osim toga bilo kakav kvar konvertora mora biti otklonjen isključivo originalnim rezervnim delovima. Imajući u vidu relativno kratke cikluse razvoja novih modela, ponekad je takav zahtev gotovo nemoguće ispuniti. Međuitim, ni ispitivanja Ex zaštite koja je nezavisna od tipa konvertora nije bez rizika. U takvim slučajevima konvertor može kao crna kutija na proizvoljan način da u širokom opsegu struja i napona optereti motor. Sam motor i njegova Ex zaštita moraju da pokriju i rizike koji mozda nisu bili unapred poznati. Uobičajeno je da proizvođač motora ne preuzima odgovornost ako korisnik zeli da nabavi konvertor samostalno bez ikakvih konsultacija. Jasno je da tada rizik leži na koriniku koji veoma često vrlo malo poznaje bilo kakve karakteristike konvertora. Izlaz iz takve situacije možda leži u pristupu da se svi problemi razmatraju nezavisno od tipa Ex zaštite. Takvi napori bi možda doveli do razvoja opštih zahteva koji bi definisali upotrebu svih motora napajanih preko konvertora u eksplozivnim atmosferama. Takvi zahtevi bi 4

5 svakako proizašli iz relevantnih standarda serije koji se odnose na standardne motore. 7. ZAKLJUČAK Upotreba i značaj motora napajanih preko konvertora u budućnosti će značajno porasti na tržištu protiveksploziono zaštićene opreme. To pokazuje da će zahtevi za motorima napajanih preko konvertora prevazići motore sa mrežnim napajanjem. Postoji opravdana želja da se motori napajani konvertorom integrišu sa uobičajenim motorima izvedenim u e ili n tipu Ex zaštite, odnosno da se izbegnu potpuno nova ispitivanja koja uključuju ispitivanje zagrevanja. Međutim, takav pristup zahteva definisanje svojevrsnog interfacea izmedju motora i konvertora. Sadašnje stanje harmonizovanih standarda nije dovoljno da reguliše gore navedeni pristup koji se odnosi na motore napajane konvertorom u eksplozivnim atmosferama. Takav pristup bi trebalo da dovede do vertikalnog harmonizovanog standarda koji bi pokrio sve zahteve za motore napajane konvertorom REFERENCE [1] F. Lienesch, Converter drives in Hazardous Areas PTB, Section 3.43, Braunschweig, [2] IEC , Electrical apparatus for explosive gas atmospheres Part 1: Flameproof enclosures d [3] IEC , Electrical apparatus for explosive gas atmospheres Part 7: Increased safety "e" [4] IEC , Electrical apparatus for explosive gas atmospheres Part 15: Type of protection "n" [5] IEC Explosive atmospheres - Part 14: Electrical installations design, selection and erection 5