Inovace v oblasti pohonů velkých výkonů

Inovace v oblasti pohonů velkých výkonů

1. Úvod

V letošním roce došlo k významné změně v oblasti nabídky jak modulárních indukčních motorů, tak i vysokonapěťových měničů frekvence. Shodou okolností u indukčních strojů jde o změnu osové výšky 560 až 710 mm, které pokrývají značnou část výkonového rozsahu nových měničů frekvence.

2. Motory AMI

Na trh vstupují motory s názvem AMI. Nosnou myšlenkou jejich konstrukce je maximální standardizace s širokým rozsahem volitelného příslušenství tak, aby motory byly použitelné pro různá průmyslová odvětví a aby plně splňovaly platné normy IEC 60034-2004. Ilustrační foto je na obr. 1.

Obr. 1. Motory AMI

2.1 Základní technické údaje motorů AMI

• výkon: do 11 000 kW,
• napětí: do 13,8 kV,
• montážní provedení: horizontální i vertikální,
• okolní teploty: °C,
• osové výšky: 560 mm, 630 mm, 710 mm,
• počty pólů (větší počty pólů na vyžádání):
  - typ AMI 560: IM 1001 – 2 až 18, IM 4011 – 4 až 18,
  - typ AMI 630: IM 1001 – 2 až 20, IM 4011 – 4 až 20,
  - typ AMI 710: IM 1001 – 4 až 20, IM 4011 – 4 až 20.

Obr. 2. Výkony motorů AMI, vodní chlazení, 6 kV, 50 Hz

Výkony motorů při chlazení vzduch-voda, napětí 6 kV a frekvenci 50 Hz jsou uvedeny na obr. 2.

Nové stroje přinášejí několik vylepšených parametrů, jako jsou snížení hluku a vibrací, zvýšení kritických otáček a účinnosti, provoz s měniči frekvence, provedení Ex (do výbušného prostředí) a rozšířená možnost použití kluzných samomazných ložisek.

2.2 Hluk a vibrace
Během vývoje tohoto motoru byl kladen důraz na snížení hladiny hluku a také na nízkou hodnotu vibrací. Dosáhlo se rovněž zvýšení tuhosti kostry stroje. Výměníky v chladicím okruhu jsou zcela nově navrženy právě s ohledem na vyzařovaný hluk, minimalizovány byly i jejich rozměry. Omezení hluku bylo dosaženo rovněž vhodným využíváním principu symetrického nebo asymetrického chlazení v závislosti na osové výšce a počtu pólů.

Vibrace na ložiskových skříních při chodu naprázdno a při tuhých základech vykazovaly při měření podle normy IEC 60034-14 tyto hodnoty:

• standard: do 2,3 mm·s^–1,
• volitelné: do 1,5 mm·s^–1.

Obr. 3. Statorové vinutí motorů AMI
Obr. 5. Karta se zabudovaným prvkem IGCT a montážní blok sestavený z těchto jednotek chlazený vodou

Hladiny hluku jsou standardně menší nebo rovny 82 dB(A), volitelné provedení hladiny hluku je menší nebo rovno 77 dB(A). Hodnoty platí při sinusovém napájení při chodu naprázdno a ve vzdálenosti 1 m. Tolerance je podle již zmíněné normy +3 dB.

2.3 Kritické otáčky
Další významnou novinkou dvoupólových motorů je možnost volby konstrukce hřídele jako podkritické. Tím dochází k posunu prvních kritických otáček nad jmenovité otáčky a motory potom lze bez problémů provozovat s měniči frekvence v regulačním rozsahu od nuly do maximálních otáček. Tato možnost volby platí např. u dvoupólových strojů 6 kV, 50 Hz, chlazených vodou, ve výkonovém rozsahu 2,8 až 5 MW. Stroje s počtem pólů 2p ł 4 jsou již standardně navrženy jako podkritické.

2.4 Účinnost
Účinnost je v zásadě ovlivněna materiály magnetického obvodu a vinutí. U motorů AMI je možné zvolit variantu motoru s vyšší účinností; tím se snižuje spotřeba elektrické energie. Lze zvolit obzvlášť nízkoztrátové plechy, měděné vinutí rotoru anebo obojí. Co se týče vinutí, lze také v určitém rozsahu, omezeném maximálním sycením, upravovat i tvary drážek.

2.5 Regulované stroje s měniči frekvence
Standardem u motorů AMI je izolované ložisko na přední straně motoru a rovněž izolace statorového vinutí motorů standardně vyhovuje požadavkům na motory napájené z měničů frekvence. Ukázka provedení vinutí je na obr. 3. I u těchto strojů se nadále používá osvědčená izolace systému MICADUR^® s tlakově vakuovou impregnací.

Obr. 4. Topologie měniče frekvence ACS 5000

2.6 Motory v provedení Ex
Motory AMI jsou k dispozici též v provedení Ex pro prostředí s nebezpečím výbuchu (EEx nA, EEx e, EEx p) a certifikací ATEX.

3. Měnič frekvence ACS 5000 na napětí 6 kV

Měnič frekvence ACS 5000 z produkce ABB vznikl na základě dlouholetých zkušeností s vývojem a výrobou vysokonapěťových pohonů. Zajímavostí je, že nový měnič využívá dosavadní konstrukční bloky, které se osvědčily u předchozích řad: jejich novým propojením byla zvýšena napěťová hladina až na 6,9 kV (4,16 a 6,0 až 6,9 kV) a omezen jejich vliv na poháněný motor i na napájecí síť. Je vhodný pro asynchronní i pro synchronní stroje od 5 do 23 MW.

3.1 Vysoká spolehlivost a účinnost
Vysoké spolehlivosti se dosahuje kombinací osvědčených montážních bloků, avšak s novou topologií měniče – obr. 4. Tím se rovněž docílilo vysoké účinnosti – vyšší než 98,5 %. Jsou zde použity spínací prvky IGCT, jako je tomu ve střídačích ostatních vysokonapěťových řad (obr. 5).

Obr. 6. Pohled na vnitřní uspořádání ACS 5000

Značnou výhodou je rovněž řešení bez pojistek – relativně nespolehlivé tavné vysokonapěťové pojistky jsou nahrazeny elektronickým jištěním, také na bázi prvků IGCT. Toto jištění vypíná zhruba 100krát rychleji než klasické.

Další významnou inovací je náhrada elektrolytických kondenzátorů novým typem svitkových kondenzátorů, které mají i samoopravné vlastnosti.

3.2 Provozní vlastnosti
Hlavní pozornost při konstrukci měniče ACS 5000 byla věnována uživatelsky příjemnému prostředí a snadné použitelnosti. S tím souvisí i malý zastavěný objem střídače. Díky použité technologii a vodnímu chlazení se dosahuje měrného výkonu 1 MV·A/m³, a to včetně přípojů, regulace a chladicí jednotky. Tak vysoké objemové koncentrace výkonu nebylo dosud u jiných vysokonapěťových měničů docíleno (obr. 6). V řízení se využívá osvědčená metoda DTC, tedy přímé řízení momentu. Ta, kromě vysoké dynamiky, rovněž výrazně snižuje hladinu hluku motoru.

Obr. 7. Napětí a proud motoru při napájení z měniče ACS 5000

3.3 Potlačení harmonických generovaných do sítě a motoru
Měnič ACS 5000 je vybaven 36pulsním diodovým usměrňovačem. To v podstatě zajišťuje sinusový průběh proudu odebíraného ze sítě. Použitá technologie spojení tří tříúrovňových střídačů vytváří mnohoúrovňové výstupní napětí, které má tak blízký průběh sinusovému tvaru, že je možné použít standardní motory 6 kV s běžnou izolací (obr. 7). Zmíněným zapojením střídače je rovněž vyřešen problém namáhání izolace souhlasným napětím, které je převedeno na napájecí transformátor.

3.4 Integrace do výrobní technologie
Měniče frekvence řady ACS 5000 umožňují pomocí komunikačních adaptérů mnoha typů integraci s řídicími systémy vyšší úrovně. Předností je možnost dálkové diagnostiky a monitorování provozu po lince Ethernet, např. i ze světových servisních center ABB.

4. Závěr

Popsané asynchronní motory řady AMI lze použít jako samostatně pracující na síti i napájené ze střídačů. To umožňuje jejich použití v pohonech velkých výkonů, jako jsou napáječky velkých bloků, ventilátory kotlů apod. Tam, kde je účelné regulovat otáčky, je rovněž možné využít popsaný moderní vysokonapěťový střídač ACS 5000.

ABB s. r. o.
Sokolovská 84–86
186 00 Praha 8
tel.: 234 322 111
fax: 234 322 310
http://www.abb.com/cz