Двигатели и задвижвания за експлозивна среда

Експлозивна среда възниква, когато запалими газове, мъгла, пари или прах се смесят с въздух, което създава риск от взрив. Количеството вещество, необходимо за формирането на експлозивна атмосфера зависи от конкретното вещество. Зоната, в която тази възможност съществува, се определя като потенциално експлозивна атмосфера. Такива условия са характерни за много промишлени предприятия – от химически, фармацевтични и хранително-вкусови, до енергийни и дървопреработвателни.

Зоните са познати също и като “взривоопасни зони” или “взривоопасни области”. Броят на веществата, които са запалими при смесване с въздух, е много голям, което означава, че има много сектори в промишлеността, при които може да е налична потенциално експлозивна атмосфера в някакъв момент от техния технологичен процес. Някои от тях не са толкова очевидни. Например в дъскорезниците по принцип не се наблюдава потенциално взривоопасна атмосфера, но ако се допусне събиране на голямо количество стърготини в една зона, то може да възникне такава среда.

Стандарти за взривоопасна среда

В световен мащаб има много регламенти и системи за сертифициране с различни изисквания в областта. Техническите изисквания в тези разпоредби стават все по-хармонизирани със световните IEC стандарти. Системата IECEx на Международната електротехническа комисия е доброволна система за сертифициране, която верифицира съответствието с IEC стандартите, свързани с безопасността във взривоопасна среда. IECEx покрива няколко основни области: сертифициране на сервизни съоръжения; сертифициране на IECEx оборудване; поставяне на Ex маркировка за съответствие; сертифициране на компетентността на персонала; система за означаване на IECEx съответствие.

За да бъде маркирано едно съоръжение с “Ex” съгласно IECEx, то трябва да получи сертификат за съответствие. Това изисква приет IECEx Доклад за оценка на качеството (QAR) и приет IECEx Тестов протокол за типово изпитване (ExTR). Продуктите със знак за IECEx съответствие получават IECEx Сертификат за съответствие, който потвърждава, че даденото оборудване има подходяща защита за използване във взривоопасни атмосфери и че е произведено съгласно система, обект на текущо наблюдение от сертифициращия орган. Маркировката означава също и че продуктът може да бъде доставян на пазара без да са необходими допълнителни изпитвания. Изключение правят само двигателите с повишена безопасност (Ex e), които трябва винаги да се изпитват със задвижването, с което ще се използват.

Често наричани ATEX, от френски “ATmosphиres EXplosibles” (експлозивни атмосфери), европейските разпоредби в областта комбинират две директиви – за минималните изисквания за подобряване защитата на здравето и безопасността на работниците в потенциален риск от експлозивни атмосфери (1999/92/ЕО) и за хармонизиране на законодателствата на държавите членки относно съоръженията и системите за защита, предназначени за използване в потенциално експлозивна атмосфера (2014/34/ЕС).

Директивите на ЕС се различават малко от IECEx и не включват сертифициране на сервизни съоръжения или сертифициране на компетентност на персонала. Спазването на изискванията за безопасност и опазване на здравето, описани в директивите, е задължително в страните от ЕС. Най-лесният начин да се докаже съответствие е да се спазват хармонизираните стандарти.

За безопасна експлоатация на Ех оборудването стандартите от серията IEC 60079 често изискват защитни устройства. Те могат да бъдат разположени във или извън зоната с взривоопасна атмосфера. Типичен пример е защитата за повърхностната температура на двигатели, управлявани от честотни инвертори (VSD). Този тип защитни устройства са алтернатива за сертифицирана и изпитана комбинация от двигател и VSD.

Защитните устройства за Ех съоръжения и продукти попадат в обхвата на разпоредбите ATEX – хармонизирания стандарт EN 50495:2010. IECEx няма приложим стандарт за електрически защитни устройства за Ех оборудване и затова сертификацията може да се осъществи само съгласно ATEX. Въпреки това, нова IEC публикация (IEC TS 60079-42) дава насоки за защитни устройства съгласно изискванията на IECEx.

Типове защити за двигатели

В потенциално експлозивна атмосфера двигателите се свързват директно с машините. Взривоопасните атмосфери се класифицират в зони, като от зоната зависи минималното ниво (категория) на безопасност, на която двигателите трябва да съответстват, т. е. категорията определя допустимите типове защити за двигателите.

Двигателите могат да се класифицират също и според Нивата на защита на оборудването (EPL) съгласно IEC/EN стандартите. EPL обозначава риска от запалване, присъщ на двигателите. Целта на тази класификация е да се направи изборът на двигатели за различните зони по-лесен. За двигателите EPL маркировката е включена в Ех маркировката, а категорията на оборудването е включена в СЕ маркировката.

Класификацията по категории е от особена важност, тъй като всички проверки, поддръжка и ремонти, задължение на крайния потребител, ще зависят от категорията на продукта/оборудването, а не от зоната, където то е инсталирано.

Дизайнът на двигателите с повишена безопасност (Ex e) при работа (включително стартиране и ситуация с блокиране на ротора) предотвратява възникването на искри, дъги или горещи места, които могат да достигнат температурата на самозапалване на околната, потенциално взривоопасна атмосфера във всички вътрешни и външни части на машината.

Това е осигурено чрез прилагане на разпоредбите, отнасящи се до конструкцията или размерите, които предимно засягат: посочените минимални стойности за разстояния и отстояния на утечка; използване на изолационни материали със защитена срещу утечки повърхност; изглаждане на острите ъгли, където може да се натрупат статични електрически товари; осигуряване на плътно закрепване на електрическите и механични звена; минимални стойности на луфта между неподвижните и въртящите се части (например въздушни междини, вентилация и други); ограничаване повишаването на температурата, като се вземат предвид режими на блокирал ротор и нормална експлоатация при най-неблагоприятните термични условия (в случай на най-неблагоприятни напреженови условия).

Когато са предназначени за използване с устройства, зависещи от тока, за защита срещу надвишаване на граничната температура, отношенията на стартовия ток IA/IN и времето tE трябва да бъдат определени и означени - tE не трябва да бъде по-малко от 5 секунди, докато IA/IN не трябва да надвишава 10. За да се предотврати надвишаването на граничната температура, защитните устройства трябва да изключват в рамките на времето tE. Когато са предназначени за използване с температурни сензори на намотките, свързани със защитни устройства срещу възникване на недопустими температури, отношението на стартовия ток IA/IN трябва да бъде определено и маркирано. Времето tE не се изисква да бъде определено и маркирано.

Защитените двигатели тип Ex nA се допуска да бъдат използвани в опасни участъци, съответстващи на Зона 2 (наличие на експлозивна атмосфера за под 10 часа/година). Този дизайн е известен също и като искробезопасен тип, тъй като двигателите трябва да бъдат проектирани по такъв начин, че да не възникват искри при нормална експлоатация, т. е. използване при номиналните стойности, посочени от производителя, което изключва термичните изисквания, свързани със стартиране или случайно блокиране.

Искробезопасните двигатели трябва като минимум първо да бъдат типово изпитани като система с инвертора, с който действително ще се използват, или със сравним с него. За Ex nA трябва да се гарантира, че допустимата вътрешна и външна температура не надвишава граничната за температурния клас, особено при ниски скорости, когато охлаждащият вентилатор също може да работи бавно.

Ex e двигателите също трябва винаги да се изпитват и сертифицират като цялостна система заедно с инвертора, който действително ще се използва. Двигателите с корпус под налягане или с продухване (Ex p) винаги могат да работят с инвертор. Въпреки това, ако продухващата система се повреди, трябва да се гарантира, че вътрешната температура няма да надвиши допустимата граница за температурния клас. Това важи също и за монтираните компоненти, например подгряващи системи. За всички Ex e, Ex nA и Ex p двигатели допустимият инвертор трябва да бъде посочен на сертификата, а необходимото изключващо устройство да бъде посочено в декларацията на производителя или в Ex сертификата.

Вътрешните компоненти на огнеустойчивите двигатели (Ex d), например подгряващи системи, по принцип не изискват взривозащитена версия. Инсталираните температурни сензори се избират и разполагат така, че да изключат двигателя преди температурата на повърхността му да достигне граничната. Това е причината, поради която с Ex d двигателите могат да се използват и други инвертори, при условие че компанията, експлоатираща задвижващата система, спазва изискванията, посочени от производителя на двигателя.

Изпитването само на термичната защита означава, че се изпитва изключването на температурния сензор, защото това е единственото средство за защита, което предотвратява превишаването на граничната за класа температура на външната повърхност. Ex nA и Ex p двигателите имат най-ниско тегло. Обикновено Ex e двигателите с еднаква номинална мощност имат големина на рамата с поне един или два размера по-голяма (особено за 2- и 4-полюсните двигатели) и затова са по-тежки. Колкото по-голяма е номиналната мощност, толкова по-съществени са разликите в съответните разстояния между оста на вала и монтажната повърхност. Обикновено един Ex d двигател има същите активни части като един Ex nA или Ex p двигател. Въпреки това, корпусът и крайните щитове са значително по-големи и затова и по-тежки, тъй като те трябва да издържат на високите налягания при взрив.

Ex d двигателите се отличават с най-добра гъвкавост, тъй като те могат принципно да бъдат проектирани за нормална експлоатация, прекъснат режим, работа с инвертор, както и за тежки условия на стартиране. За Ex nA двигателите прекъснатият режим вече не се счита за нормална експлоатация и затова стартирането също трябва да се вземе предвид при оценката на взривозащитеността, което ги прави подобни на Ex e двигателите. Прекъснатият режим на експлоатация е възможен за един Ex p двигател, само ако се прилага непрекъснато продухване (също и при бездействие). Основно предимство на Ex d двигателите високо напрежение, когато се сравняват с Ex p и Ex e двигателите (които трябва да бъдат продухани преди стартиране), е, че след отпадане на захранването или след като двигателят е бил изключен, той може незабавно да бъде рестартиран.

В резултат на по-ниско оползотворяване на топлината Ex e двигателите имат по-ниски загуби в медта и поради това се отличават и със сравнително по-висока ефективност. При Ex p двигателите допълнителните разходи, свързани с подаването на въздух за продухване (закупуване, инсталационни и експлоатационни разходи), зависят от големината на двигателя и дизайна на лагерите и могат да достигнат до няколко хиляди евро на година.

Ex nA двигателите винаги са с най-добра разходна ефективност, но, както беше споменато, са подходящи за работа само в Зона 2. Ex e двигателите винаги са скъпи, тъй като те са със занижени експлоатационни параметри. Ex p двигателите са с най-висока цена, когато са с малки размери, но поевтиняват с нарастването на големината им, тъй като системата за обдухване става по-малка като дял от общата цена на двигателя. Ex d стават най-скъпи, когато стойността на взривозащитения корпус нараства по отношение на общата цена на двигателя.

Избор на двигатели и задвижвания за експлозивни атмосфери

Когато се избират двигатели и задвижвания за експлозивни атмосфери, трябва да се спазват инструкциите и препоръките на производителя. Тъй като само двигателят може да се инсталира в потенциално експлозивна атмосфера, а задвижването винаги трябва да е в безопасна зона, инструкциите са предназначени да предотвратят прегряване на двигателя или създаване на искри. За да се осигури безопасна експлоатация, при избиране на двигател заедно със задвижване трябва да се имат предвид няколко фактора.

Избирането на комбинация от двигател и задвижване започва със събиране на изискванията на клиента за условия на околната среда, захранващо напрежение и честота, скорост на вала на двигателя, изходен товар на двигателя, тип на товара и изискване за претоварване, изисквания за ефективност, както и зона, температурен клас и необходим тип Ex защита. Първата стъпка е да се избере двигателят. Сред факторите са наличността на двигателя и задвижването, сертификатът на двигателя и дали сертификатът е валиден за работа с честотен инвертор и при какви условия.

При оразмеряване на двигателя за приложения с променлива скорост трябва да се имат предвид непрекъснатото термично оразмеряване и необходимият капацитет за краткосрочно претоварване. Освен това ограничаването на импулсната честота чрез Ex параметрите снижава големината на тока и това трябва да се отчете при изчисленията.

Оразмеряване може да се изпълни също и за инверторите, като се използват кривите за капацитета на натоварване на двигателя. Те показват максимално допустимия постоянен изходен въртящ момент на двигателя като функция от захранващата честота. Изходният въртящ момент е даден като процент от номиналния на двигателя. Кривите за капацитета на натоварване са базирани на номиналното захранващо напрежение и се изчисляват за конкретна импулсна честота в зависимост от типа на инвертора.

Тъй като импулсната честотата е различна за отделните инвертори и типове товари, за да се осигури безопасна експлоатация, комбинацията от двигател и задвижване трябва да се изпита за необходимия специфичен тип защита. Алтернативата е да се свържат вътрешните температурни сензори на двигателя със сертифицирано PTC/Pt100 реле, което контролира основния контактор на задвижването и изключва двигателя от захранването, ако температурната граница бъде надвишена.

Капацитетът за краткотрайни претоварвания, филтрите и изолацията, околните условия, падовете на напрежение в дългите кабели също трябва да се имат предвид. Изолацията и филтрите трябва да бъдат избрани според напрежението и големината на рамата. Що се отнася до термичната защита, в зависимост от типа защита на двигателя отделните производители имат различен подход, за да изпълнят изискванията на стандартите. Трябва да се провери дали комбинацията е типово изпитана и дали според сертификата се изисква защита от прегряване. В зависимост от това могат да бъдат избрани съответните ATEX-сертифицирани устройства.

Необходимо е да се следват инструкциите за инсталиране от производителя на двигателя – особено препоръките за кабела и електромагнитната съвместимост в съответствие с местните разпоредби. Задвижването трябва да се конфигурира според стойностите на табелката с номиналните стойности на двигателя и табелката на задвижването. Следва да се провери дали импулсната честота на задвижването може да се ограничи до стойностите, които се изискват от производителя на двигателя.