Tytuł Aplikacji: Współpraca falownika z silnikiem pracującym w strefie zagrożonej wybuchem

Transkrypt

1 Poniższy artykuł został w pełni przygotowany przez Autoryzowanego Dystrybutora firmy Danfoss i przedstawia rozwiązanie aplikacyjne wykonane w oparciu o produkty z rodziny VLT Firma Danfoss należy do niekwestionowanych liderów branży napędowej. Od lat nazwa VLT określa przetwornice częstotliwości i softstarty o najlepszych parametrach technicznych, najwyższej niezawodności i funkcjonalności. Napędy VLT pracują w aplikacjach na całym świecie, a Danfoss oferuje najbardziej rozległą sieć doświadczonych specjalistów i partnerów z zakresu techniki napędowej. Tytuł Aplikacji: Współpraca falownika z silnikiem pracującym w strefie zagrożonej wybuchem Coraz częściej w automatyzacji obiektów przemysłowych spotyka się układy napędowe o regulowanej prędkości obrotowej pracujące w strefie zagrożonej wybuchem. W przypadku stref zagrożonych wybuchem oraz urządzeń przewidzianych do stosowania w tych strefach obowiązują dziś dwa dokumenty prawne- dyrektywa ATEX 94/9/EC obowiązująca od 1 lipca 2003 roku oraz Rozporządzenie Ministra Gospodarki (z dnia 22 grudnia 2005r.) w sprawie zasadniczych wymagań dla urządzeń i systemów ochronnych przeznaczonych do użytku w przestrzeniach zagrożonych wybuchem, obowiązujące w Polsce od 1 stycznia 2006 roku. Dyrektywa ATEX 94/9/EC wprowadza podział na obszary niebezpieczne i bierze pod uwagę potencjalne źródła zapłonu każdego rodzaju, zarówno elektryczne jak i nieelektryczne, które mogą spowodować eksplozję. Eksplozja może być wywołana nie tylko przez instalacje elektryczne, ale również przez inne elementy nieelektryczne takie jak gorąca powierzchnia, iskry wywołane przez uderzenia, tarcie materiałów, itd. Urządzenia przeznaczone do pracy w strefach zagrożonych wybuchem muszą być według dyrektywy ATEX oznakowanie zgodnie z poniższą specyfikacją:

2 CE xxx II 2 G E Ex d IIC T4 T125 C Oznaczenie CE Numer identyfikacyjny jednostki certyfikującej Znak informujący o wykonaniu przeciwwybuchowym Grupa wybuchowości Kategoria urządzenia Strefa: G gazowa, D- pyłowa Standard europejski Ochrona przeciwwybuchowa Rozdzaj zabezpieczeń stosowanych w konstrukcji Podgrupa wybuchowa Klasa temperaturowa Temperatura obudowy (tylko dla podgrupy IIA, IIB, IIC) Przykład oznakowania ATEX: 637 dii 2 GD W dyrektywie określono szczegółowo typy ochrony obudowy poprzez małą literę po znaku Ex i mogą to być: o, p, q, d, e, i, m. W przypadku silników do pracy w strefie Ex dostępne są trzy wersje obudowy: Ex d - Szczelna obudowa chroniąca przed wybuchem. Urządzenia posiadające ten typ ochrony wykonane są w ten sposób, aby zatrzymać w środku iskrzenie i zapobiec wydostaniu się atmosfery z wewnątrz obudowy na zewnątrz. Tego typu obudowy wytrzymują ciśnienia rzędu dziesiątek atmosfer, Ex e - Ochrona zwiększona. Urządzenia posiadające ten typ ochrony wykonane są w ten sposób, aby nie dopuścić do rozprzestrzenienia się ewentualnego iskrzenia. Stosowane są do ochrony listew zaciskowych, połączeń elektrycznych, gniazd lamp. itp. W przeciwieństwie do typu d, obudowy tego typu chronią poszczególne elementy a nie całe układy elektryczne. Ex de jako kombinacją wersji Ex d i Ex e. Silnik wykonany jest wówczas w obudowie w standardzie Ex d, natomiast skrzynka zaciskowa silnika jest wykonana w standardzie Ex e. Fot.1 Przykładowa tabliczka znamionowa silnika w wykonaniu Exe II

3 Silnik w wykonaniu przeciwwybuchowym z założenia jest przystosowany do pracy w sieci zasilającej o określonych parametrach, jakości i sinusoidalnym kształcie napięcia. Można przypuszczać, że odkształcone napięcie wyjściowe falownika będzie mieć negatywny wpływ na temperaturę silnika, stan izolacji, co może stanowić dodatkowe zagrożenie w strefie Ex. Jakie kroki należy więc podjąć, jeśli chcemy regulować z falownika obroty silnika pracującego w strefie Ex?. Założeniem jest, że falownik znajduje się poza strefą Ex, natomiast silnik w odpowiednim wykonaniu Exd lub Exde znajduje się w strefie niebezpiecznej 1/21 lub 2/22. Kabel do silnika powinien być ekranowany, na napięcie pracy 0,6/1kV i izolacji PE o małych stratach dielektrycznych i o wytrzymałości napięciowej min. 2500V. Producenci falowników często zlecają badania zespołu silnik falownik odpowiedniej instytucji certyfikującej, która weryfikuje konkretny typ falownika do współpracy z określonym typem silnika w wykonaniu przeciwwybuchowym. Taką instytucją jest np. Kopalnia Doświadczalna Barbara, gdzie zostały przeprowadzone testy np. dla silników Celma we współpracy z falownikami Danfoss. Jednak to na projektancie układu napędowego spoczywa obowiązek zaprojektowania bezpiecznej aplikacji, w której możliwość powstania sytuacji wybuchu została wyeliminowana poprzez zastosowanie odpowiednich rozwiązań i środków. Dyrektywa ATEX definiuje jedynie najbardziej podstawowe wymagania, jakie musi spełniać produkt przeznaczony do stosowania w strefach zagrożonych wybuchem. Wymagania szczegółowe podane są w normach europejskich zharmonizowanych z dyrektywą. Tak więc, dla silnika pracującego w strefie Ex należy zapewnić zwiększone bezpieczeństwo poprzez: kontrolę temperatury uzwojeń (np. poprzez termistory PTC w uzwojeniach silnika), kontrolę maksymalnego prądu silnika, sprawdzenie spadku napięcia w torze falownik- silnik (zwłaszcza, gdy użyto długi kabel silnikowy lub filtr sinusoidalny na wyjściu), co skutkuje wzrostem prądu silnika, kontrolę minimalnej częstotliwości kluczowania w falowniku, kontrolę maksymalnej częstotliwości wyjściowej, należy zwrócić uwagę na dopasowanie mocy falownika i silnika. Zaleca się, aby prąd znamionowy falownika nie przekraczał więcej niż 2-krotnej wartości prądu znamionowego silnika. (In fal 2xIn siln.). Nie dopuszcza się zasilania z jednego falownika więcej niż jednego silnika pracującego w strefie Ex. Wszystkie te czynniki mają wpływ na niebezpieczny wzrost temperatury, co mogłoby skutkować zapłonem w środowisku wybuchowym. Kontrolę temperatury silnika może zapewnić dowolne urządzenie ATEX wpięte w obwód sterowania falownika. W przypadku falownika Danfoss FC 302 można go wyposażyć w kartę opcji MCB 112PTC (z aprobatą ATEX dla stref Z1/2G i Z2/22D). Karta ta opiera się na module firmy ZIEHL typu MS 220DA i

4 pod tą nazwą można ją spotkać we wcześniejszych aplikacjach. Wraz z zamontowaniem karty w falowniku udostępniona jest funkcja ATEX ETR thermal monitoring. Funkcja ATEX ETR thermal monitoring opiera się na normie EN , dotyczącej zastosowań silników w wykonaniu przeciwwybuchowym Exd i Exe. Przy użyciu tej funkcji silnik jest w pełni chroniony cieplnie przed wzrostem temperatury powyżej dopuszczalnej granicy. Karta MCB112 Atex PTC umożliwia podłączenie 3-6 termistorów PTC zainstalowanych w silniku. Monitorując temperaturę, moduł sygnalizuje na swoim wyjściu przekroczenie temperatury, co powoduje bezpieczne wyłączenie falownika poprzez funkcję Safe stop realizowaną sprzętowo poprzez dedykowany zacisk 37 w falowniku. Przykład aplikacji modułu MCB112 PTB z pomiarem temperatury w strefie Ex przedstawiono na rys.1. Rys.1 Listwa zaciskowa karty termistorów z atestem ATEX W falowniku FC302 należy połączyć odpowiednio zaciski 10 i 12 karty MCB112 z zaciskami karty sterującej 33 i 37 oraz zaprogramować: dla wejścia DI 33: funkcję PTC Card1 i dla wejścia DI37 funkcję PTC Alarm1. W przypadku zwarcia w obwodzie termistora, przekroczenia progu rezystancji (temperatury) lub przerwy w obwodzie, następuje zadziałanie układu wyłączenia falownika w trybie Safe stop. Falownik generuje komunikat PTC1 Safe Stop oraz kod awarii [A71]. Falownik wymaga zresetowania i jeśli warunki termiczne są poprawne, układ może wznowić pracę. Możliwa jest rozbudowa powyższego obwodu Safe stop w falowniku (pomiędzy zaciskami 12-37) o sygnał pochodzący z przekaźnika awaryjnego stopu kat. 3 (SIL2). Karta MCB 112 PTC ATEX może być użyta jako zabezpieczenie termiczne silnika w sterfie Ex w całym zakresie mocy falowników FC302. Istnieją jednak pewne ograniczenia i reguły dla powyższej aplikacji.

5 Układ pracujący w strefie zagrożonej wybuchem, zgodnie z wymogiem EN61508 dla osiągnięcia integralności poziomu bezpieczeństwa (SIL), powinien być okresowo sprawdzany funkcjonalnie min. raz na 3 lata. Zaleca się jednak sprawdzenie co rok, lub zgodnie z cyklem konserwacji danej instalacji. Programując parametry falownika należy zwrócić także szczególna uwagę na poniższe parametry: - Minimalna częstotliwość kluczowania: ma wpływ na straty mocy w silniku, a co za tym idzie zwiększoną temperaturę silnika. Należy sprawdzić minimalną częstotliwość kluczowania dopuszczalną przez producenta dla danego typu silnika we współpracy z falownikiem. - Maksymalna częstotliwość wyjściowa: ma wpływ na straty mocy i temperaturę silnika i może stanowić powód przegrzania silnika. W przypadku długiego kabla silnikowego, zastosowania filtra sinusoidalnego lub obniżonego napięcia zasilania, czyli powstania dodatkowego spadku napięcia Ustrat, zmniejszenie maksymalnej częstotliwości można obliczyć ze wzoru: - Charakterystyka wyłączenia termicznego ETR częstotliwość / prąd wyjściowy. Jest to zwykle 4- punktowa charakterystyka podawana w szczegółowych danych silnika w wykonaniu Ex. W parametrach falownika FCD302 w parametrach 1-98, 1-99 (ATEX ETR) należy wprowadzić 4 punkty charakterystyki ETR (f[hz], I[%In] ). Stosując opisane wyżej zalecenia oraz szczegółową analizą pozostałych elementów automatyki pracujących w obszarze zagrożonym wybuchem, możemy zbudować bezpieczny regulowany układ napędowy zgodnie z obowiązującymi wymogami i dyrektywami. Artykuł przygotowany przez: Schulz Infoprod Spółka z o.o. ul. Metalowa 3 PL Poznań telefon: fax: info@schulz-infoprod.pl