Silniki elektryczne stanowią serce wielu maszyn i pojazdów. Są również często kluczowym elementem infrastruktury, którego funkcjonowanie przekłada się w istotny sposób na energooszczędność i optymalizację procesów technologicznych w całej organizacji. Ze względu na pełnioną funkcję, muszą spełniać wymagania szeregu norm, a jednocześnie wykazywać odpowiednią niezawodność i wysoką sprawność. Zweryfikować wszystkie parametry silników w testach można w nowo otwartym Centrum Badawczo-Rozwojowym utworzonym w Zakładzie Maszyn Elektrycznych „EMIT” S.A. System, wykorzystujący przetwornice częstotliwości VACON® NXP Danfoss Drives, opracowała, zaprojektowała i zintegrowała firma Elsta we współpracy z inżynierami Danfoss.

Potrzeba tworzenia innowacyjnych maszyn elektrycznych, spełniających wymagania różnych branż i dopasowanych do konkretnych zastosowań, była jednym z powodów powstania Centrum Badawczo-Rozwojowego w Zakładzie Maszyn Elektrycznych „EMIT” S.A., należącym do Grupy Cantoni.

Podstawowym elementem Centrum jest systemowy układ napędowy, wykorzystujący przetwornice częstotliwości VACON® NXP. Układ zasilania silnik-generator składa się w sumie z 10 inwerterów mocy, połączonych wspólną szyną DC. Na bezpośredni napęd silnika i generatora przypadają po 4 moduły, z kolei 2 kolejne tworzą układ prostownika dwukierunkowego, pracującego w systemie AFE (Active Front End, aktywny mostek prostownika). Każdy z układów napędowych ma moc 6 MW. Moc całkowita wszystkich modułów mocy wynosi 15 MW. System jest chłodzony cieczą, a całkowita długość szaf systemu, wraz z wymiennikami układu chłodzenia, to 14 metrów.

– Uruchomienie Centrum otworzyło niedostępne wcześniej, szerokie możliwości prowadzenia badań. Nowoczesny obiekt umożliwia wszechstronne testy silników w zakresie mocy od 50 kW do 6MW. Umożliwia określenie parametrów elektrycznych maszyn oraz, co najważniejsze, precyzyjne wyznaczenie ich sprawności. Dokładne wyznaczenie parametrów pozwala na optymalizację pracy maszyn elektrycznych i uzyskiwanie potencjalnie najwyższej efektywności energetycznej oraz eksploatacyjnej, co przekłada się na dłuższy czas funkcjonowania urządzeń, zmniejszenie liczby awarii, wydajniejsze zużycie zasobów, a przez to też na ochronę środowiska naturalnego. Nasze Centrum, jedno z najnowocześniejszych w Europie, udostępniamy nie tylko klientom firmy EMIT, ale również innym zainteresowanym, w tym choćby inżynierom z placówek edukacyjnych, którzy chcieliby wykorzystać jej możliwości w swojej działalności edukacyjno-laboratoryjnej – mówi Adam Bron, dyrektor handlowy w Zakładzie Maszyn Elektrycznych „EMIT”.

Pełne spektrum możliwości badawczo-testowych

W Centrum Badawczo-Rozwojowym mogą być obecnie przeprowadzane pełne badania silnika elektrycznego, począwszy od testów bez obciążenia, po próby pod pełnym obciążeniem, których celem jest wyznaczenie przyrostu temperatury oraz szeregu innych parametrów podlegających weryfikacji, takich, jak prąd znamionowy, współczynnik mocy czy sprawność.

Realizowanie bezpośrednich pomiarów w nowym Centrum przynosi bardziej wiarygodne i precyzyjne wyniki, a tym samym pozwala na pewniejsze wyciąganie wniosków, co ma ogromne znaczenie w procesie projektowania nowych urządzeń. Uruchomienie obiektu przełożyło się na zwiększenie możliwości badawczych również w zakresie cech fizycznych maszyn, których dopuszczalna masa wzrosła do 30 ton. Dzięki zastosowaniu nowych suwnic i płyty badawczej o wymiarach 6×12 m w obiekcie mogą być przeprowadzane badania silników o większych gabarytach. Jednocześnie Centrum wyposażono w rozwiązania umożliwiające testy wykraczające poza wyznaczone obecnie standardy, ale mogące się nimi stać w niedługim czasie. Na miejscu silniki są analizowane za pomocą urządzeń do badania wyładowań niezupełnych oraz układu do badania klatek wirników.

Układ zasilania dopasowany do potrzeb 

W ramach tworzenia nowoczesnego Centrum Badawczo-Rozwojowego, które może zaoferować tak szerokie możliwości testowe i zapewniać potrzebną precyzję wyników, spółka EMIT korzystała z pomocy zaufanych partnerów o odpowiednich kompetencjach. Ich wsparcie pozwoliło wykonać cały projekt elektryczny, a następnie zrealizować wdrożenie.

Bardzo istotną rolę w przedsięwzięciu odegrała firma Elsta, która nie tylko opracowała koncepcję działania Centrum, ale również, przy udziale inżynierów Danfoss, zaprojektowała i zintegrowała system. Testy i dochodzenie do optymalnego działania systemu pochłonęły setki godzin pracy ekspertów przedsiębiorstw. Dość wspomnieć, że zaplanowane na pół roku uruchomienie, wymagało kilkudziesięciu wyjazdów do EMIT-u.

– W tego rodzaju Centrum układ pomiarowy odgrywa kluczową rolę, dlatego przygotowanie całej koncepcji, uwzględniającej różnego rodzaju szafy pomiarowe, rozdzielcze i zabezpieczające, dobór transformatorów, certyfikowane czujniki do pomiarów napięcia i prądu, ale również sam proces dostawy i instalacji, wymagał dokładności na każdym etapie prac – zauważa Michał Michulec, prezes Neisa, który w trakcie tworzenia Centrum był zaangażowany w proces z ramienia firmy Elsta, integratora całego systemu elektrycznego.

Sercem obiektu jest przekształtnikowy układ zasilania VACON® NXP o całkowitym natężeniu prądu wynoszącym 17 kA. Wyróżniające go parametry są niezbędne w przypadku obiektu realizującego testy na taką skalę i z taką dokładnością.

– Poziom mocy, w przypadku układu zaimplementowanego w Centrum Badawczo-Rozwojowym firmy EMIT, jest równy potrzebom niedużego miasteczka tj. około 3 000 gospodarstw domowych. Opracowanie układu, który charakteryzuje tak duży poziom zaawansowania i rozbudowania, wiąże się z bliską współpracą wielu stron, których kompetencje są kluczowe dla udanej implementacji i uruchomienia – mówi Krzysztof Kania, kierownik działu Aplikacyjnego w Danfoss Drives.

W Centrum Badawczo-Rozwojowym EMIT wykorzystano układ regeneracyjny, który znacznie ogranicza zużycie energii. Testowany w danym momencie silnik napędza generator, który generuje napięcie trafiające (poprzez szynę DC) do inwertera silnikowego i ponownie do testowanego silnika. Energia krąży więc cały czas w układzie, a z sieci zewnętrznej pobierana jest tylko część potrzebna do uzupełnienia ubytków związanych ze stratami. W ten sposób Centrum umożliwia testowanie silników o dużych i bardzo dużych mocach, nie wykorzystując przy tym tak dużej mocy z sieci, co przekłada się na zauważalne ograniczenie kosztów zużycia energii elektrycznej i ma pozytywny wpływ na środowisko naturalne.