Přednosti elektrických servopohonů s proměnnými otáčkami
 | |
| Přednosti elektrických servopohonů s proměnnými otáčkami Ing. Karel Kabeš, AUMA – Servopohony, spol. s r. o. V posledních letech se v průmyslových zařízeních a strojích i ve spotřebním zboží stále častěji používají elektrické pohony s proměnnými otáčkami (Variable Speed Drive – VSD). Vedle možnosti plynule regulovat otáčky je hlavním důvodem jejich rostoucí obliby významná úspora energie spotřebované během celé doby života pohonu. Je např. energeticky mnohem výhodnější, aby kompresor běžel s proměnnými otáčkami a stlačoval právě potřebné množství vzduchu, než aby běžel s otáčkami odpovídajícími maximální možné spotřebě stlačeného vzduchu a skutečná potřeba stlačeného vzduchu se pak upravovala škrticími klapkami; to je jasné plýtvání energií. V průmyslu se pohony s proměnnými otáčkami často volí také proto, že umožňují přizpůsobit rychlost akčních členů rozdílným požadavkům jednotlivých technologických procesů. Všemi dosud uvedenými a navíc i některými dalšími specifickými přednostmi se vyznačují také elektrické servopohony s proměnnými nebo regulovanými otáčkami používané pro ovládání průmyslových armatur [1]. Elektrické pohony s proměnnými otáčkami Existuje několik způsobů, jak zajistit, aby elektrický motor běžel s proměnnými otáčkami. V sítích nízkého napětí do 1 000 V se pro výkony až do několika set kilowatů v současné době používají téměř výhradně měniče frekvence se stejnosměrným meziobvodem ve spojení s robustním třífázovým asynchronním motorem s kotvou nakrátko. Proto je dále pozornost věnována pouze této variantě pohonu.  Obr. 1. Princip měniče frekvence (L1, L2, L3 – svorky vstupního napětí; U1, V1, W1 – svorky výstupního napětí) Elektrický pohon s proměnnými otáčkami vyžaduje pro napájení motoru střídavé třífázové napětí s proměnnou frekvencí a amplitudou. V rozvodné síti je však napětí s konstantní frekvencí a amplitudou. Na napětí s proměnnou frekvencí a amplitudou je převáděno v měniči frekvence ve dvou krocích. Nejprve se ve vstupní části měniče jednofázové nebo třífázové napětí z rozvodné sítě v usměrňovači převede na stejnosměrné (zvlněné) napětí (obr. 1). V meziobvodu se při použití velkých kondenzátorů, fungujících jako vyrovnávací zásobníky energie, usměrněné napětí vyhladí. Druhá, výstupní část měniče frekvence se typicky skládá ze šesti rychlých elektronických spínačů, které pracují jako střídač a v přesně definovaném rytmu přivádějí stejnosměrné napětí na tři vstupní svorky motoru. Velmi rychlým spínáním a správnou volbou napětí (pulsně šířková modulace) je realizován požadovaný třífázový průběh napětí napájejícího motoru. Rychlost spínání určuje frekvenci napětí napájejícího motoru. Aby byl zachován stálý poměr napětí k frekvenci, zároveň s frekvencí se mění i napětí na výstupu z měniče. Protože drobné zvlnění napětí je odfiltrováno vinutím motoru, je příčinou vzniku točivého magnetického pole v motoru, a tím i jeho statoru, jenom složka se „základní frekvencí“ napěťového systému. Vtip zde spočívá ve výpočtu potřebného napětí na výstupu z měniče prováděném v předstihu a v rychlém nastavování požadovaných spínacích stavů. V moderních měničích frekvence tyto úlohy zajišťuje rychlá řídicí elektronika s výkonnými mikroprocesory a integrovanými obvody s velkou hustotou integrace (LSI). K usměrňování vstupního napětí do měniče se používají vhodně dimenzované polovodičové diody nebo tyristory. Realizaci spínacích funkcí zajišťují výkonové tranzistory, jejichž vlastnosti se již velmi blíží ideálnímu spínači a které jsou od počátku devadesátých let minulého století pro tyto účely nabízeny v širokém výkonovém spektru v provedení IGBT (Isolated Gate Bipolar Transistor). V poslední době se v měničích frekvence stále častěji používají inteligentní výkonové moduly IPM (Intelligent Power Module), v jejichž kompaktním pouzdru jsou integrovány výkonové spínače typu IGBT se všemi potřebnými řídicími, hlídacími, ochrannými a pomocnými obvody. Elektrické servopohony s proměnnými otáčkami pro ovládání armatur Použití elektrických servopohonů s proměnnými otáčkami pro ovládání průmyslových armatur (ventilů, kohoutů, klapek, šoupátek aj.) přináší uživateli mnoho provozních výhod, především v podobě nižších provozních nákladů, větší spolehlivosti a delší doby života regulačních orgánů. Servopohony s třífázovým asynchronním motorem se napájejí ze standardní třífázové nebo i jednofázové rozvodné sítě přes vhodně dimenzovaný měnič frekvence. Velmi vhodné pro provoz s regulovanými otáčkami jsou zejména elektrické servopohony Sipos 5 řad Ecotron a Profitron (obr. 2) s asynchronním motorem a integrovaným měničem frekvence, které vyrábí firma Sipos Aktorik GmbH z Norimberku.  Obr. 2. Redukční ventil ovládaný elektrickým servopohonem Sipos 5 Flash s proměnnými otáčkami (zdroj: Sipos Aktorik GmbH) K přednostem servopohonů s proměnnými neboli regulovanými otáčkami patří vedle možnosti i velmi jemného ovládání armatur také jejich systémové výhody, projevující se při projektování a povozu řídicích systémů. Jemnější a bezpečnější otevírání armatury Armatury v elektrárnách, ve vodárenských zařízeních apod. musí občas odolávat velkým rozdílům tlaků v potrubí. Při rychlém přestavování armatury často dochází k turbulentnímu proudění a víření, jehož důsledkem je zvýšené namáhání materiálů a tím i větší nebezpečí možného poškození armatury, potrubí a spojovacích dílů. Vzniku nežádoucích a škodlivých průvodních jevů (kavitace, hydraulické rázy šířící se celým technologickým zařízením) lze zabránit „naprogramovanou„ rychlostí otevírání škrticího orgánu, zpravidla tak, že se zpočátku armatura otevírá velmi pomalu, aby se nejprve mohl vyrovnat tlak. Teprve od určitého pootevření armatury se pokračuje v jejím otevírání větší rychlostí. U servopohonů s proměnnými otáčkami k tomu účelu stačí vhodným naprogramováním zajistit změnu frekvence napájecího napětí motoru. Těsně uzavření armatury bez nadměrného namáhání Otáčí-li servopohon armaturou konstantními otáčkami až do sedla ventilu, sice zajistí její těsné uzavření, ale za cenu velkého dynamického momentu zatížení armatury a pohonu. Jednak v době mezi detekcí hodnoty krouticího momentu motoru odpovídající uzavřené armatuře a jeho vlastním vypnutím motor stále běží a jednak je v systému i po elektrickém vypnutí motoru nahromaděna kinetická energie, kterou je nutné zmařit. Jedním z možných řešení je opatřit servopohon přídavnou brzdou; to ale znamená nárůst pořizovacích i provozních nákladů a nutnost sledovat opotřebení brzd.  Obr. 3. Pomalé pohyby servopohonu s proměnnými otáčkami poblíž koncových poloh Při použití servopohonu s proměnnými otáčkami je možné krátce před dosažením koncové polohy uzavíracího prvku otáčky motoru definovaně zmenšit a redukovat tak kinetickou energii komponent pohonu na zlomek jinak běžné hodnoty. Dále lze předvolit takové napětí motoru, aby jeho krouticí moment byl roven vypínacímu momentu armatury, takže se eliminuje prodleva mezi vydáním signálu k vypnutí a skutečným vypnutím motoru. V praxi to probíhá tak, že měnič frekvence vestavěný do servopohonu automaticky mění frekvenci a amplitudu napětí na svorkách motoru v oblastech koncových poloh armatury, nastavitelných v procentech celkové přestavné dráhy ventilu, kde tudíž motor pracuje s redukovanými otáčkami (obr. 3). Uvedený způsob mimořádně šetří sedlo ventilu, těsnění i ostatní mechanické komponenty armatury. Proměnné otáčky při přestavování Někdy je účelné, aby servopohon měl podél dráhy přestavení neboli v závislosti na poloze akčního prvku armatury různé otáčky. Například může být nutné rychle přejíždět přes kritické polohy bez vybuzení rezonance, zachovat konstantní hodnotu řízených technologických veličin (tlaku, teploty, průtoku apod.) anebo dosáhnout lineární charakteristiky armatury apod. To, co lze u servopohonů s konstantními otáčkami realizovat jenom v režimu taktování (tedy zapínáním a vypínáním), často s mnoha malými rázy, je v případě servopohonů s proměnnými otáčkami samozřejmým standardem. Servopohony s proměnnými otáčkami mohou být např. snadno naprogramovány tak, že rychlost přestavování armatury je ve směru „zavírání“ jiná než ve směru „otevírání“ (obr. 4); to je užitečné v mnoha zpracovatelských procesech.  Obr. 4. Armaturu lze otevírat a uzavírat různou rychlostí Jiným častým požadavkem je zajistit různé otáčky servopohonu za běžného provozu a jiné v nouzové situaci. V některých případech je totiž žádoucí, aby armatura sice byla v regulačním režimu nastavována pomalu a co nejpřesněji do požadované polohy, ale aby se v nouzové situaci (např. při náhlém pokles výkonu v elektrárně aj.) co nejrychleji přestavila do předem určené bezpečné polohy. Servopohony s proměnnými otáčkami tento požadavek umožňují bez problémů splnit. Druh a způsob zadání jsou jen otázkou schopností programu, přičemž jsou k dispozici různé připravené varianty vycházející z požadavků zákazníků. Otáčky motoru, resp. rychlost přestavování armatury, lze u servopohonů s proměnnými otáčkami naprogramovat v závislosti na poloze akčního prvku armatury zcela obecně. U zmíněných servopohonů řady Sipos je možné např. celou přestavnou dráhu rozdělit až na deset úseků s rozličnou rychlostí podle volby. Pro tentýž úsek dráhy lze podle zadání nastavit jiné otáčky při otevírání a jiné při zavírání armatury. Při vhodné volbě funkce lze např. dosáhnout úměrnosti mezi otevřením armatury a průtokem média, zabránit vzniku rázu v potrubí apod.  Obr. 5. Individuálně nastavená charakteristika servopohonu pro ovládání armatury při jeho řízení analogovým signálem 0/4 až 20 mA U servopohonů napájených z měniče frekvence je možné řídit počet otáček také s použitím analogového signálu 0/4 až 20 mA přímo podle požadavků řízeného procesu a určit tak individuální průběh otáček v závislosti na otevření armatury (obr. 5). Při použití funkce analogové zadání otáček může servopohon řady Sipos ovládat armaturu různou rychlostí beze změny jejího nastavení. Výhody servopohonů s proměnnými otáčkami z pohledu projektování Elektrické servopohony s proměnnými otáčkami přinášejí uživatelům zajímavé výhody již ve fázi návrhu a projektování řídicího systému. Při jejich použití se především výrazně zjednodušuje dimenzování servopohonu a armatury, a to zejména je-li nutné počítat s kolísáním napětí v rozvodné síti. Krouticí moment třífázového asynchronního motoru se mění přibližně úměrně druhé mocnině napájecího napětí. Při poklesu napětí na 70 % jmenovité hodnoty tedy tradiční servopohon dodává již jen asi polovinu jmenovitého krouticího momentu. Napětí v rozvodné síti běžně tolik nekolísá. Avšak i v dostatečně dimenzovaných průmyslových rozvodných sítích např. při rozběhu sousedních velkých soustrojí (čerpadel, kompresorů, velkých motorů) mohou nastat významné místní poklesy napětí. Při napájení servopohonu přes měnič frekvence je jeho výstupní krouticí moment v širokém rozsahu téměř nezávislý na velikosti přivedeného napájecího napětí, takže se servopohon i armatura dimenzují podle jmenovitých provozních podmínek. Velkou výhodou také je, že při napájení servopohonu z měniče frekvence je rozběhový proud motoru menší nebo se nejvýše rovná jeho jmenovitému proudu. I při větším počtu servopohonů v jedné větvi rozvodné sítě tudíž lze vystačit s kabely, přístroji i rozváděči menších dimenzí a tak dosáhnout výrazných úspor pořizovacích nákladů. Při malých frekvencích lze krouticí moment asynchronního motoru velmi jemně nastavovat změnou amplitudy napětí na jeho svorkách. Protože právě při malých frekvencích existuje dostatečná „rezerva napětí“, lze záběrný moment vždy zvolit tak, aby bylo zajištěno bezpečné uvolnění i silou utažené armatury. Při použití měniče frekvence také nezáleží na pořadí, v jakém jsou na vstupní svorky servopohonu připojeny fáze síťového napětí, a není tudíž nutná ani žádná automatická korekce sledu fází. Směr otáčení motoru je totiž určen výhradně okamžitým interním zapojením ve střídači. Nezřídka je požadováno, aby při výpadku napětí v síti bylo možné servopohon nouzově napájet ze záložních baterií prostřednictvím střídače. Použití „normálního„ třífázového servopohonu zde rychle ztroskotá na obrovských nákladech za třífázový střídač, který ani standardně nebývá k dispozici. Jednofázové střídače zase předpokládají servopohon s jednofázovým motorem, tedy s univerzálním motorem a rozběhovým kondenzátorem, u kterého však jsou obvykle problémy se záběrným momentem. Také zde je řešením servopohon s proměnnými otáčkami napájený z měniče frekvence, který může do určité meze výkonu (závislé na výrobku) vytvářet z jednofázového napájecího napětí variabilní třífázové napětí pro motor. Tím se požadavek nouzového napájení servopohonu vyřeší bez dodatečných nákladů, popř. ztráty výkonu. Rovněž je třeba zdůraznit, že možnost kdykoliv a v širokých mezích nastavit otáčky a vypínací momenty servopohonů s proměnnými otáčkami výrazně redukuje varietu typů motorů a elektrických servopohonů potřebnou k zajištění projektovaných činností ve velkých výrobních a technologických provozech, v elektrárnách, vodárnách apod. Navíc zcela odpadají dříve nezbytné nejrůznější redukční převodovky. To vše znamená méně nutných náhradních dílů a menší náklady na jejich skladování. Dostupnost Servomotory s proměnnými otáčkami určené k ovládání armatur v průmyslu jsou pro uživatele v mnoha případech technicky i finančně výhodnější než tradiční řešení pohonu. Významnou pozici na tomto trhu mají servopohony značky Sipos, dodávané na český trh společností AUMA – Servopohony, spol. s r. o. Literatura: AUMA – Servopohony, spol. s r. o. (Uvedeno též v časopisu Automa č. 4/2006.) | |