Фактори при избора на електрическо задвижване

• На практика всяка съвременна технологична система и всяка автоматизирана функция в индустрията разчита на поне едно електрическо задвижване
  
  
• От правилния избор на електрическо задвижване зависят редица ключови аспекти на съвременното производство
  
  
• Процесът на селектиране може да се окаже объркващ или сложен поради огромното разнообразие от възможности на пазара

Електрическите задвижвания в промишлените и производствени съоръжения са “виновници” за консумацията на огромни количества енергия. На практика всяка модерна технологична система и автоматизирана функция в дадено предприятие – от преработката, пълненето, опаковането и етикетирането до транспорта и логистиката, разчита на поне едно електрическо задвижване. От правилния избор на тези ключови компоненти зависят редица критични аспекти на съвременното производство, включително енергийната и ресурсна ефективност, производителността на оборудването, гъвкавото и надеждно управление и т. н.

За да адаптират задвижващите системи към съвременните изисквания за гъвкавост, устойчивост и ефективност, развойните инженери в сегмента отделят все по-специално внимание на енергийните им характеристики, интелигентните функции и възможностите за свързаност и интеграция. Изборът на оптимално задвижване е гаранция за надеждност и ниска консумация на енергия. Много са обаче факторите, които определят дали съответният модел е подходящ за конкретните цели, а процесът на селектиране може да се окаже объркващ, тромав или откровено сложен поради огромното разнообразие от възможности на пазара.

За да улеснят проектантите на системи с електрическо задвижване, все по-голяма част от водещите производители в сегмента предлагат уеб базирани или мобилни конфигуратори, които извеждат списък с подходящи модели при задаване на комбинация от изисквания и параметри. Дори при работа с такава платформа обаче е добре предварително да се проучат спецификите на различните типове задвижвания на пазара и да се вземат предвид основните съображения за оценка на приложимостта на задвижването в даден сценарий и неговата енергийна и обща ефективност.

Анализиране и сравняване

За да изберете оптималния дизайн и правилния типоразмер електрическо задвижване за своята машина или система, е препоръчително да проучите в детайли какво предлага този пазарен сегмент и да сравните основните варианти. Важно е да се отбележи, че едно цялостно решение за задвижване с двигател, задвижка и инвертор обикновено се състои от множество на брой механични, електрически и електронни компоненти. Общата ефективност на системата може да бъде калкулирана, като се отчете тази на отделните й елементи. Често именно в правилното оразмеряване на задвижващите компоненти се крие ключът към по-висока ефективност. Прекалено големите и мощни задвижвания за по-компактни и прости системи с ниски натоварвания биха значели излишни разходи, а в много случаи и ненужно увеличаване на пространствените изисквания. Твърде малките електрозадвижвания пък трудно биха обезпечили адекватното и надеждно изпълнение на съответната задача.

Определени групи и типове електромотори позволяват гъвкави подходи към дизайна според изискванията за мощност и допустимите размери. При т. нар. честотно оптимизирани (frequency-optimised) или честотно управляеми модели е възможно постигането на по-висока мощност в по-компактни корпуси от стандартните IE1 и 2 двигатели, така че системи с по-малки размери да бъдат използвани за приложения със същите натоварвания.

При анализа на различни възможности в процеса по избор на оптимално задвижване може да се използва и софтуер за проектиране с по-широка функционалност, който позволява симулиране на разнообразни сценарии, оценка на енергийните изисквания и характеристики и включва насоки за селектиране на компоненти. Платформи от същия тип могат да бъдат прилагани и за енергийни одити на приложенията, предоставящи подробни разбивки на потреблението на отделните компоненти. Така директно могат да бъдат сравнявани различни дизайни и концепции, за да се подбере най-подходящото решение за съответното приложение.

Баланс между размери, гъвкавост и ефективност

Правилният избор на електрическо задвижване позволява на електроинженерите да изберат по-ефективен двигател с правилен типоразмер, който е еднакво или дори по-мощен от по-скъп вариант с по-ниска енергийна ефективност. Класическите трифазни променливотокови електромотори обикновено стават по-големи по размер с нарастването на класа ефективност. Това обаче може да доведе до пространствени ограничения в дизайна и други нежелани странични ефекти. По-високите инерции на ротора например увеличават консумацията на енергия при промяна на скоростта.

За един стандартен четириполюсен трифазен променливотоков двигател 120 Hz е идеалната работна честота при стремеж към постигане на най-добрата комбинация от висока изходна мощност, динамична работа, широк диапазон на скоростта и високо ниво на ефективност. Многообхватните (multi-frequency) двигатели с широк диапазон на регулиране на скоростта се характеризират с висока ефективност, като същевременно намаляват разходите за производителите и понижават сметките за енергия на потребителите.

За приложения с променлива скорост компактните променливотокови двигатели осигуряват значителни предимства, включително възможности за икономия на пространство в корпуса. Проектирани за задачи, изискващи променливи диапазони на настройка в система с минимални размери, мотор-редукторите с работна честота 120 Hz превъзхождат двигателите от клас на ефективност IE2, като същевременно осигуряват диапазони за регулиране на скоростта от 24:1. За сравнение, конвенционалните двигатели предлагат диапазони от едва 3:1. Тъй като 120-херцовите електромотори имат много по-широк обхват на скоростта от този при традиционните, те могат да се използват в приложения, които изискват задвижване с висока и с ниска скорост посредством един и същи двигател, както и постоянен въртящ момент в целия диапазон на настройка.

Сред най-важните съображения при избора на подходящо електрическо задвижване за дадено приложение са надеждността и гъвкавостта на съответната система. В автоматизираните складове например високата производителност в компактен корпус и в съчетание с висока енергийна ефективност е практически задължително изискване към задвижванията за различни ключови съоръжения, като конвейери и автоматизирани стелажни решения. Необходимо е обаче избраният модел задвижване да бъде и достатъчно надежден и гъвкав, за да позволява улеснено интегриране дори при ограничено пространство, както и да гарантира безпроблемната работа на съответната система в продължение на десетки години. От ключово значение са и ниските изисквания за поддръжка, които позволяват все по-висока степен на автоматизация на дейностите в складовете и цеховете, както и работа в безнадзорен и непрекъснат режим с минимални престои. Напълно възможно е един компактен трифазен 120-херцов електромотор да осигури всички тези предимства, същевременно позволявайки бюджетен подход към енергийноефективното задвижване на технологичните системи, който не би изисквал скъпи промени по дизайна.

Честотно управляемите асинхронни двигатели гарантират непрекъснат въртящ момент при по-широк диапазон на скоростта в сравнение със стандартните електромотори. Това ги прави атрактивно решение за множество сценарии. Специалните версии асинхронни двигатели, оптимизирани за работа с честотен регулатор, могат да бъдат с до два размера по-малки от конвенционалните IE2 мотори, а същевременно да предложат същата висока производителност. При по-компактни размери инерцията на ротора е по-малка от тази при традиционните променливотокови системи. Това води до кратки времена за динамична реакция, позволяващи на двигателя да повиши скоростта си от 0 до 3500 оборота в минута за период от порядъка на 500 милисекунди.

Ефективно преобразуване на енергията и потенциални икономии

Най-скъпата енергия в индустрията е ненужно консумираната. Изборът на оптимално електрическо задвижване ще гарантира не само енергийноефективна работа на системата, но и ниски сметки за предприятието. Повечето приложения в областта на задвижването изискват често спиране и стартиране на двигателя. Ето защо съвременните модели на пазара инкорпорират различни технологии и стратегии за прецизно управление на спирачния процес и оползотворяване на използваната енергия чрез регенериране.

При ускоряване или повдигане на товар, електрическата енергия на задвижването бива преобразувана в кинетична, част от която се възстановява при забавяне на двигателя или спускане на товара. Възстановената енергия при конвенционалните конфигурации обикновено се преобразува в ненужна топлина от спирачните резистори. В редица приложения обаче е рентабилно и технически осъществимо тази енергия да се улавя и временно да се съхранява в кондензатор или да се подава обратно към мрежата. Регенеративните системи са най-ефективни при двигатели и задвижвания с мощност над 5 kW.

Според експертите над една трета от съвременните трифазни променливотокови двигатели са проектирани за работа с честотен инвертор с електронно управление. Предимствата им стават още по-очевидни, когато се използват в цялостни задвижващи решения с предавателни кутии. Комбинирането на децентрализирано честотно задвижване с високоефективен променливотоков двигател с редуктор осигурява проста и енергийноефективна връзка между компонентите и елиминира необходимостта от шкаф за управление.

Отвъд традиционната топология, включваща монтаж в шкаф, компактните децентрализирани инверторни модули могат да сведат до минимум пространствените изисквания на всеки подходящ за подобен подход дизайн. Директното инсталиране на децентрализирано задвижване с малка обща височина върху двигателя и съчетаването му с честотен регулатор и предавателен механизъм позволява постигането на висока ефективност от порядъка на до 98%, като една такава концепция може да направи и дизайна на системата много по-компактен.

Стандартите за ефективност на двигателите, заложени в клас IE2, доведоха до много подобрения в дизайна на инверторите, които позволиха по-висока енергийна ефективност на цялата система без компромис с производителността. Много модели децентрализирани инвертори на пазара днес например адаптират тока на намагнитване на двигателя към действителните нужди на работния процес, като по този начин намаляват загубите, особено при работа с частично натоварване. Това от своя страна подобрява ефективността и редуцира консумацията на енергия с до 30%.

Електродвигателите, които предлагат широк диапазон на регулиране на скоростта, са отличен избор при селектиране на ефективно задвижване, тъй като са по-рентабилни от стандартните си аналози в дългосрочен план и се характеризират със значително по-ниска консумация. Един такъв мотор с номинална честота 120 Hz, номинално напрежение 380 V (AC) и номинална скорост 3500 об./мин. може да бъде комбиниран например с двустепенна редукторна скоростна кутия с ефективност от порядъка на 95% с цел повишаване на общата ефективност на задвижващата система с разумна инвестиция.