ELEKTROMOTORNI POGONI U EKSPLOZIJSKI UGROŽENIM

FAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RAČUNARSTVA
ELEKTROMOTORNI POGONI U
EKSPLOZIJSKI UGROŽENIM PROSTORIMA
ELECTRICAL DRIVES FOR USE IN POTENTIALLY EXPLOSIVE ATMOSPHERES
Prof. dr. sc. Drago Ban
ZAVOD ZA ELEKTROSTROJARSTVO
I AUTOMATIZACIJU
Skopje, 2014.
MODERNI ELEKTROMOTORNI POGON, STRUKTURA
IZVOR
ELEKTRIČNE
ENERGIJE
Tok energije
Tok signala
Električna
energija
(fiksni oblik)
Zadana veličina
(brzina, položaj)
Mehanička
energija
Električna energija
(promjenljiv oblik)
REGULATOR
PRETVARAČ
ELEKTRIČNE
ENERGIJE
Elektromehanički
pretvarač
(motor)
RADNI STROJ
(TEHNOLOŠKI
PROCES)
Senzori i pretvarači
D. Ban 2014.
2
Funkcionalni dijagram izmjeničnog EMP (IEC 61800‐2)
3
MODERNI ELEKTROMOTORNI POGONI, VAŽNOST

60‐65% sveukupno proizvedene električne energije na zemlji se pretvara u mehanički rad posredstvom elektromotornih pogona

Na mnogim procesnim postrojenjima 80‐90% električne energije troši se u elektromotornim pogonima (rafinerija plina CPS Molve(RH) oko 90%, Jadranski Naftovod (RH)oko 90%)

Pojedinačne snage elektromotornih pogona se kreću od reda mW do 200 MW (mehatronički uređaji su za najmanje snage, pumpno‐ akumulacijske elektrane za najveće snage).
4
OSNOVNA KONFIGURACIJA REGULIRANOG EMP‐A U EKSPLOZIJSKI UGROŽENOM PROSTORU
(Hazardous area)
Izvor napajanja,
mreža
(Safe area)
U eksplozijski ugroženom prostoru obično se nalazi elektromotor i radni stroj a ostale komponente elektromotornog pogona su u sigurnom prostoru.
D. Ban 2014
.
5
ELEKTROMOTORNI POGONI U EKSPLOZIJSKI UGROŽENIM PROSTORIMA
Standardi za pogone u eksplozijski ugroženim prostorima:
EUROPSKE ZEMLJE:
EUROPA ATEX, EN i IEC STANDARDS
NORTH AMERICAN SYSTEM IMA 2 PODSISTEMA:
NORTH AMERICAN NATIONAL ELECTRIC CODE (NEC) called ANSI/NFPA 70
and CANADIEN (CEC) CANADIAN ELECTRIC CODE called CSA C22.1
Uz važeće Traditional Systems, NEC I CEC , američke države prihvaćaju sve
više IEC standarde zbog velikog tržišta
6
IEC, ATEX, CENELEC
¾IEC Ex sistem je općenito prihvaćen širom svijeta s minimalnim lokalnim prilagodbama
¾ATEX 94/9/EC, ( The Explosive Atmospheres Directive) je europska direktiva obavezna u primjeni od 2003.god, za sve zemlje evropske unije, oznaka EN sa serijskim brojem standarda
¾CENELEC (The European Committe for Electrical Standardization) razvija elektrotehničke standarde za Evropsku uniju. Standardi protueksplozijske zaštite u Evropi i IEC standardi su jednaki jer za njih paralelno glasaju u CENELEC‐u i IEC‐u. ¾Primjer:
¾IEC 60079‐0 je EN 60079‐0 za CENELEC, BS EN 60079‐0 za United Kingdom, HRN EN 60079‐0 za Hrvatsku
7
KLASIFIKACIJA EKSPLOZIJSKI UGROŽENIH
PROSTORA, IEC/EN I NORT AMERICAN RULES
Eksplozivna atmosfera, trajanje
American
(Hazardous are is expected to exist..)
Ekspozivna atmosfera prisutna trajno
ili u dugim vremenskim intervalima
( Američki termin: Continuous)
IEC/ EN System
Nort
Zona 0 Division 1 *
(or zone 1)
Eksplozivna atmosfera se očekuje
Zona 1
povremeno u normalnom radu < 1000 h
(Američki termin: Intermittent)
Ekspl.atmosfera se ne očekuje u
normalnom radu, a ako se pojavi
Zona 2
trajat će samo kratko vrijeme <10 h/god.
(Američki termin: Abnormal)
Division 1
Division 2
U zoni 0 općenito nije dozvoljena primjena elektromotora
*nema nacionalno prihvaćenog standarda
8
ELEKTROMOTOR ZA EKSPLOZIJSKI UGROŽENI PROSTOR
Izvori opasnosti i principi izbora

Dva su temeljna principa izbora elektromotora za pogone u eksplozijski ugroženim prostorima:
Prvi je da se odabere vrsta motora u kojemu se u normalnim pogonskim uvjetima i pri startanju ne pojavljuju uzročnici paljenja eksplozivne atmosfere: električni luk, iskrenje i nedozvoljeno visoke temperature.
Drugi je da se mehaničkim i/ili električkim zaštitama sprječava pojava uzročnika zapaljenja i kontakta zapaljive atmosfere s njima.
Za eksplozijski ugrožene prostore u novim postrojenjima najčešće se koriste asinkroni kavezni motori, sinkroni motori s trajnim magnetima, Brushless sinkroni motori (bez četkica i kliznih koluta), a vrlo rijetko komutatorski motori.
Pravilan izbor elektromotora s obzirom na pogonske uvjete u eksplozijski ugroženim prostorima je najvažnija mjera zaštite. Odabrati neodgovarajući motor pa u pogonskim uvjetima tražiti način da se ispravan rad osigura raznim zaštitnim mjerama je potpuno krivi pristup.
9
Primjer potpuno uništenog kaveza rotora asinkronog motora u uvjetima “teški elektromotorni pogon”
Iskrenje i el.luk
10
PROTEKSPLOZIJSKE ZAŠTITE ELEKTROMOTORA, VRSTE I OZNAKE
Vrsta i oznaka protueksplozijske zaštite
Standard
Oklapanje (engl. flameproof) Ex d
Zaštita od eksplozije se osigurava oklapanjem motora kućištem koje mora izdržati tlak eksplozije i osigurati da se eksplozija ne prenese izvan motora, na okolni prostor. Kod normalnog pogona ne smije biti nedozvoljeno vrućih površina na kućištu motora ni iskrenja.
Povećana sigurnost (engl. increased safety) Ex e
Zaštitom se mora spriječiti pojavu nedozvoljeno vrućih površina motora, elek. luka i iskrenja u uvjetima pokretanja, normalnog pogona ili pod specificiranim kvarnim stanjima motora. Time se osigurava da motor ne može biti uzročnik paljenja.
IEC 60079‐1
EN 60079‐1
IEC 60079‐7
EN 60079‐7
Nadtlak (engl. pressurized) Ex p
Zaštitnim plinom pod tlakom u unutrašnjosti motora većim od tlaka okolne atmosfere, spriječiti eksplozivnu atmosferu da prodre unutar motora i da dođe u kontakt s dijelovima motora, potencijalnim uzročnicima paljenja. Kod normalnog pogona ne smije biti nedozvoljeno vrućih površina, električnog luka ni iskrenja na kućištu motora.
Neiskreći (engl. non spakring) Ex nA
Pri normalnom pogonu motora i u nekim specificiranim uvjetima kvarova ne smije biti nedozvoljeno vrućih površina, električnog luka ni iskrenja. Zaštitom se osigurava da motor ne može biti uzročnik paljenja. Motori za zonu 2 (kategorija opreme 3)
IEC 60079‐2
EN 60079‐2
IEC 60079‐15
EN 60079‐15
Zaštita kućištem (engl. enclosure protected ) Ex t
Kućište motora treba biti izvedeno da u motor ne može ući eksplozivna IEC 61241‐1
prašina i doći u dodir s djelovima motora koji mogu biti uzročnik zapalenja EN 61241‐1
ili eksplozije.
11
ELEKTROMOTORNI POGONI U EKSPLOZIJSKI UGROŽENIM PROSTORIMA
PRIMJERI INSTALIRANIH ELEKTROMOTORNIH POGONA U EKSPLOZIJSKI UGROŽENIM PROSTORIMA
12
Kavezni motori naftovodnih pumpi 3300 kW, 6000 V, 50 Hz, 2p=4 protueksplozijska zaštita Ex e, mehanička zaštita IP54
Otok Krk,Terminal Omišalj, Jadranski naftovod
D. Ban 2014.
13
Visokonaponski motor, “Voith Getriba” i centrifugalna naftovodna pumpa, 3300 kW, 6000 V, 50 Hz, 2p=4,
protueksplozijska zaštita Ex e, mehanička zaštita IP54
Visokonaponski motor
Centrifugalna pumpa
14
Protueksplozijska zaštita nadtlak Ex p, mehanička zaštitaIP54,
frekvencijski regulirani pogon,1800 kW, 3,3 kV, 2p=2, 3200 o/min
Čisti zrak
15
PLINSKI MOTOR ZAMIJENJEN REGULIRANIM ASINKRONIM MOTOROM Plinski motor 2500 KS (1800 kW), zamijenjen elektromotorom u zaštiti nadtlak
16
Regulirani asinkroni pogon pumpe, rafinerija plina Molve protueksplozijska zaštita oklapanje, Ex d II AT3
mehanička zaštita IP55
D. Ban 2014
.
17
Elektromotorni pogon kompresora za otpremu plina (rafinerija INA‐Molve, RH)
Regulirani asinkroni kavezni motor 2500 kW, 2p=8, 3300V, protueksplozijska zaštita nadtlak Ex p, Vodom hlađeni pretvarač
frekvencije ABB ACS 1013‐W1,
18
Postrojenja i postupci dodatnog dobivanja nafte iz iscrpljenih izvora
19
ifu
ga
lna
pu
mp
a
MEHANIČKE KARAKTERISTIKE ASINKRONOG MOTORA I CENTRIFUGALNE PUMPE, POGONSKA RADNA TOČKA STACIONARNOG STANJA
M
o
mot
r
M n
M k
0
Radna točka pogona
ce
nt r
M max
M n ‐ nazivni moment
M k ‐ moment kratkog spoja
M max ‐ maksimalni moment
n n n s
n
20
PROMJENA MOMENTA I STRUJE U ZALETU KAVEZNOG ASINKRONOG MOTORA ‐ DIREKTNO POKRETANJE I/In
M/Mn
8
2
struja
6
4
en
m
mo
t
1
2
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
n/ns [min‐1]
Relativne vrijednosti struje i momenta u tijeku zaleta, tipične vrijednosti
21
SOFT‐START UREĐAJ –rješenje problema velikih struja pokretanja
*prema industrijskom katalogu
Soft‐start regulira napon motora pri pokretanju čime se smanjuje struja pokretanja,momenti pokretanja i dinamičke sile na cijeli sustav pogona. Nakon zaleta motora koji obično traje manje od jedne minute soft start uređaj se prespoji u direktni spoj motora i mreže‐By pass Contactor
22
REGULIRANI ILI NEREGULIRANI ELEKTROMOTORNI POGON U EKSPLOZIJSKI UGROŽENOM PROSTORU?
Zašto odabrati regulirani pogon ili zamijeniti postojeći neregulirani reguliranim ?
1. Zbog zahtjeva tehnološkog procesa (ubrzavanje procesa, automatizacija procesa,..)
Prilagodba tehnološkom procesu i uvjetima pogona upravljanjem brzinom ili momentom elektromotora umjesto drugih tehničkih mogućnosti (reduktori, multiplikatori, spojke, prigušivači, .........)
Produktivnost i kvaliteta proizvoda mogu bitno ovisiti o preciznosti regulacije brzine vrtnje ili momenta motora (automatizirana proizvodnja)
2. Zbog zaštite mreže, motora i radnih mehanizama, smanjivanja troškova održavanja
3. Zbog ušteda ‐ smanjenja potrošnje električne energije
D. Ban 2014
.
23
STRUKTURA ELEKTROMOTORNOG POGONA S ASINKRONIM MOTOROM I PRETVARAČEM NAPONA I FREKVENCIJE
Načelna shema energetskog kruga pretvarača frekvencije, velike snage firma (ABB) za asinkroni kavezni motor sa sinusnim filtrom
24
REGULACIJA POGONA ZBOG UŠTEDA ENERGIJE (engl. Energy efficiency)

U petrokemijskom postrojenju asinkroni kavezni motor potroši (pretvori) godišnje energije u vrijednosti 5‐10 puta većoj od njegove nabavne cijene, a u cijelom vijeku trajanja pogona, tipično 15‐25 godina, potroši 75‐250 puta više za energiju nego je njegova nabavna cijena.
Ova je činjenica krucijalna pri odluci regulirani ili neregulirani elektromotorni pogon, te za analize pri odlučivanju za zamjene, popravke i održavanja.

Najveće uštede električne energije mogu se postići reguliranim pogonom centrifugalnih pumpi, ventilatora i kompresora koji su podopterećeni u normalnom pogonskom stanju i koji su godišnje relativno dugo vremena u pogonu.

U tehnički razvijenom svijetu prevladava tendencija primjene novih reguliranih pogona i zamjena postojećih nereguliranih reguliranim, zbog mogućnosti velikih ušteda energije.
25
UTJECAJ PRIMJENE FREKVENCIJSKIH PRETVARAČA NA NEKA SVOJSTVA REGULIRANOG ELEKTROMOTORNOG POGONA

Premda upotreba frekvencijskih reguliranih pogona u eksplozijom ugroženim postrojenjima ima značajnih prednosti pred nereguliranim pogonima njihova upotreba unosi i neke nove probleme s aspekta protueksplozijske zaštite.
Zbog nelinearnih karakteristika pretvarača naponi i struje koje motori uzimaju iz njih nisu u granicama standardnog sinusnog oblika, kao kod direktnog napajanja iz mreže, već sadrže različite više harmoničke članove. Sadržaj i veličina viših harmonika ovisi o izvedbi ispravljačkog dijela pretvarača i primjeni filtra na izlazu iz pretvarača.
26
REGULIRANI ELEKTROMOTORNI POGON U EKSPLOZIJSKI UGROŽENOM PROSTORU
U usporedbi s nereguliranim pogonom (direktno pokretanje) regulirani pogon eksplozijski ugroženom prostoru može imati:

slabiju ventilaciju i hlađenje kod smanjenja brzine,
viša naponska naprezanja izolacijskog sustava zbog impulsnih pojava,
više površinske temperature zbog utjecaja nesinusnih napona i struja na povećanje gubitaka u motoru i nesimetrične napone i struje zvijezdišta (engl. Common mode voltages and currents) što može izazvati iskrenje na ležajevima motora i oštećenje istih.
27
IMPLUSNE POJAVE U KABELU OD PRETVARAČA DO MOTORA
Zona opasnosti
Izvan zone opasnosti
Mreža
50/60 Hz
Pretvarač
Filtar
U
L1
L2
kabel
L3
V
3 fazni
kavezni
motor
W
Nadziranje
temperature
Osnovna frekvencija
5 - 100 Hz
(zagrijavanje)
Frekvencija sklapanja
1- 20 kHz
(ležajevi, dodatna zagrijavanja,
skin efekt)
Tranzijentna frekvencija
300 kHz - 3 MHz
(prenaponi u namotima)
Izbor kabela i njegovo priključenje na motor i pretvarač treba u skladu s IEC 60034‐25. Što je kraći kabel to je manje zahtjeva na izvedbu kabela i posebne zaštitne mjere između pretvarača i motora.
28
GLAVNI IZVORI RIZIKA PALJENJA ZBOG PRIMJENE REGULIRANOG POGONA I MJERE ZA SMANJENJE

Iskrenje zbog proboja izolacije u namotima motora ili priključnoj kutiji – uzrok impulsi prenapona i reflektirani valovi napona .
Smanjenje rizika: Pojačana izolacija i ili du/dt filtri na izlazu iz pretvarača.

Iskrenje na ležajevima zbog promjenljivog napona zajedničke točke, zvjezdišta “Common mode voltages”.
Smanjenje rizika: Izoliranje ležaja, uzemljenje osovine većih motora, filtar na izlazu pretvarača (engl. Common mode filter).
Povećane površinske temperature dijelova motora zbog slabijeg hlađenja ili preopterećenja motora. Povećanje temperature može biti zbog pogona motora izvan specificiranog područja regulacije ili nekorektnog dimenzioniranja motora.
Smanjenje rizika: Temperatura na površini motora mora biti rigorozno provjerena (mjerenjem ili računanjem u pojedinim slučajevima primjene) prema odnosnom standardu. U pogonskim uvjetima temperatura motora mora biti direktno mjerena. Mjerenje opterećenja motora i adekvatna zaštita. Ispravan projekt i odabir motora.
29
PROBLEM LEŽAJNIH STRUJA REGULIRANIH POGONA

Problem ležajnih struja električnih strojeva zbog nesimetrije mag. krugova je davno poznat i rješava se na klasične načine, konstrukcijom stroja i izoliranjem pogonskih komponenata. Tipični problem kod većih i velikih električnih strojeva.

U modernim reguliranim pogonima generiraju se ležajne struje visokih frekvencija zbog nesimetričnosti napona zajedničke točke u invertoru (engleski:common mode voltages).
Da se izbjegnu oštećenja ili uništenja ležaja moraju se upotrebljavati specijalni filtri na izlazu iz pretvarača, te pažljivo odabrani energetski kabeli za spoj motora i pretvarača. Najčešće treba izolirati ležaje, uzemljiti osovinu ili primijeniti keramičke ležaje. Što je regulirani pogon veće snage to su i problemi ležajnih struja veći.
Detaljnije upute i preporuke za probleme ležajnih struja daje isporučitelj pretvarača proizvođaču motora.

30
LEŽAJNE STRUJE U FREKVENCIJSKI REGULIRANOM POGONU
31
PRSTEN KOTRLJAJUĆEG LEŽAJA OŠTEĆEN LEŽAJNIM STRUJAMA
IZVOR: IEC
32
ELEKTRIČNE ZAŠTITE EMP‐A U EKSPLOZIJSKI UGROŽENIM PROSTORIMA
Zaštita motora od preopterećenja u izvedbi oklapanje Ex d u principu se provodi kao i za motore opće namjene jer su i posljedice od eksplozije unutar motora znatno manjeg značenja nego kad se ona dogodi izvan motora. Uobičajena je prekostrujna zaštita pomoću bimetalnih releja, ili bolje, zaštita termosondama ugrađenim u namote motora (direktna termička zaštita).
Zaštita od nedozvoljeno visokog zagrijavanja najvažniji je dio izvedbe povećana sigurnost Ex e. Zaštitni relej mora imati takvu karakteristiku da vrijeme isključenja uz zadanu struju kratkog spoja bude kraće od dopuštenog vremena tE stajanja u kratkom spoju.
33
ZAGRIJAVANJE I MINIMALNO VRIJEME tE U OVISNOSTI O ODNOSU STRUJA MOTORA IK/IN , PROTUEKSPLOZIJSKA ZAŠTITA EX e
Kratki spoj
tE
Primjer: Porast temperature nakon nastanka kratkog spoja i određivanja vremena tE za kavezni motor 900 kW, 6000 V, 2970 1/min
D. Ban 2014.
Minimalno vrijeme tE u ovisnosti o odnosu struje pokretanja i nazivne struje motora Ik/In
34
PROCJENA RIZIKA POTENCIJALNOG PROBOJA STATORSKOG NAMOTA –
FAKTORI RIZIKA PALJENJA PREMA IEC 60079‐14, PRILOG E (NORMATIVAN), ZA MOTORE U PROTUEKSPLOZIJSKOJ ZAŠTITI EX e
35
PROCJENA RIZIKA POTENCIJALNOG PROBOJA STATORSKOG NAMOTA –
FAKTORI RIZIKA PALJENJA PREMA IEC 60079‐14, PRILOG E ZA MOTORE U PROTUEKSPLOZIJSKOJ ZAŠTITI EX E

Ako je ukupni faktor rizika veći od onog kojega propisuje norma EN 60079‐7 motor mora biti dodatno ispitan u eksplozivnoj plinskoj smjesi ili mora biti osigurano da pri pokretanju kućište motora ne sadrži eksplozivnu atmosferu što se provodi i kod zaštite nadtlak Ex p postupkom ispiranja.

Ako je npr. zbroj faktora rizika iz tablice veći od 6 moraju biti ugrađeni antikondenzacijski grijači. Kućište ne smije sadržavati eksplozivnu atmosferu pri pokretanju motora.
36
ELEKTRIČKA ZAŠTITA MOTORA U REGULIRANIM POGONIMA
U suvremenim reguliranim pogonima pojedini klasični elementi električkih zaštita motora postaju nepotrebni, jer su njihove funkcije kao i dodatni zahtjevi ugrađeni u frekvencijski pretvarač.

Uobičajene su zaštite motora ugrađene u sustav pretvarača od:
kratkog spoja u motorskom krugu i spojnom kabelu pretvarač –
motor,
preopterećenje motora – signal iz ugrađenih sondi ili termički model motora,
nedozvoljeno visoke temperature ležaja,
nedozvoljeno velike struje i momenta motora,
prekida faze motora,
zemljospoja.
37
ISPITIVANJE ELEKTROMOTORNOG POGONA ZA EKSPLOZIJSKI UGROŽENI PROSTOR

Procedura i način ispitivanja su definirani prema vrsti protueksplozijske zaštite elektromotora.
Motori napajani promjenjivom frekvencijom i naponom preko pretvarača moraju biti tipski ispitani za rad u takvim pogonskim uvjetima
kao cjelina s pretvaračem i zaštitnim uređajem → IEC 60079‐14.
38
Hvala na pažnji
39
40
41
42

Download Report