Široké uplatnění měničů frekvence v praxi

Široké uplatnění měničů frekvence v praxi

Johannes Schmitt, Lenze Hameln

Pole pro použití měničů frekvence v průmyslu se stále rozšiřuje. Požadavky, kterým musejí měniče frekvence vyhovět, jsou proto také stále rozmanitější a často i velmi náročné. Modulárně navrhovaná technika měničů frekvence je obecně použitelná pro centrální i decentralizované aplikace v automatizaci. Vyznačuje se velkou rozmanitostí funkcí a umožňuje jednoduché, racionální a cenově výhodné řešení pohonů.

Podle renomovaných institutů pro výzkum trhu má v příštích letech trh s měniči frekvence dále silně růst. Toto vítězné tažení je mezi jiným podmíněno také technickým pokrokem, podle něhož je možné umísťovat stále lepší a výkonnější mikroelektroniku do stále menšího prostoru. Již delší dobu se měniče frekvence nepoužívají „pouze„ pro regulaci otáček střídavých motorů, ale přebírají i úkoly řízení, které dosud byly vyhrazeny např. jednotce PLC (Programable Logic Controler – programovatelný automat).

Kromě možných úspor energie (podle aplikace až 70 %) vznikají také úspory nákladů. Proto je zařazování měničů frekvence i v nových oblastech použití mimořádně atraktivní a často také nezbytné. Jako příklady mohou sloužit aplikace s náhradou škrticích ventilů u čerpadlových zařízení nebo náhrada mechanicky nastavitelných převodů v dopravní technice jednotkami s řízenou výstupní frekvencí.

Široký rozsah použití – rozsáhlé požadavky

Dále zmíněné požadavky na koncepci měniče frekvence vyplývají ze stále rostoucí oblasti použití, která se stává stále složitější, z nových technických řešení (např. datová sběrnice) a v neposlední řadě také z potřeby snižovat náklady:

• centralizovaná technika (tzn. že měnič se nachází v rozváděči) a decentralizovaná technika (tzn. že měnič se nachází v místě použití přímo na motoru nebo v jeho blízkosti) s obecně průchodným technickým řešením,

• flexibilně použitelné, cenově odstupňované standardní výrobky pro jednoduché i pro náročné aplikace,

• jednoduché navázání do automatizačních koncepcí,

• nahrazení externího hardwaru a řídicích jednotek,

• rychlá, jednoduchá instalace, obsluha a uvedení do provozu a přitom malá servisní náročnost.

Odpovědí výrobce pohonné techniky Lenze na tyto požadavky je koncepce, která přivádí centrálně i decentralizovaně směrované řady měničů frekvence „pod jednu střechu„. Na první pohled velmi rozdílně vyhlížející řady měničů frekvence 8200 vector (pro centralizovanou techniku) a 8200 motec (pro decentralizovanou techniku) jsou přizpůsobeny jak navzájem mezi sebou, tak také aplikacím, ve kterých budou používány.

Centrální, nebo decentralizované řízení

Obsluha, uvádění do provozu, chování pohonu a rozsah funkcí jsou u řad měničů frekvence 8200 vector a 8200 motec identické. Zda bude měnič umístěn centralizovaně v rozváděči (8200 vector), nebo decentralizovaně v procesu (8200 motec), je třeba posuzovat podle čistě ekonomických aspektů a je to výlučně určeno příslušnou aplikací. V tomto případě neexistují restrikce, které uživateli „vnucuje„ cenově výhodné řešení. Často se stává, že výbava zařízení je kombinovaná: zčásti s centralizovaným a zčásti s decentralizovaným řízením.

Kromě řízení hardwaru znamená decentralizované řešení také schopnost dálkového řízení v jednotce, která je umístěna tam, kde má řídit pohon. Hlavní výhodou decentralizované techniky jsou nižší náklady na montáž, zapojení a uvedení do provozu. Všeobecně platí: čím delší jsou (většinou drahé, stíněné) kabely k motoru mezi rozváděčem a měničem, tím více se vyplatí ověřit obě řešení. Potenciální úspory 30 % nejsou podle daných skutečností v zařízení neobvyklé.

Flexibilní standardní jednotky místo typové rozmanitosti

Pro jednoduché i pro náročné aplikace se pro centralizovaná nebo decentralizovaná řešení používá pouze jeden standardní měnič frekvence.

Důsledkem toho je racionální plánování, projektování, objednávání, skladování, správa, omezené nebezpečí záměny, snížené nároky na školení a rychlé získávání zkušeností. Rozsah funkcí je určen pouze volbou funkčních modulů pro vstupy a výstupy a pro provoz na datové sběrnici, které jsou v dané aplikaci specifické (obr. 1). Výhoda: platí se jen to, co je skutečně potřebné, změnit vybavení lze rychle, jednoduše a za výhodnou cenu.

Funkční moduly pro 8200 vector a 8200 motec jsou z hlediska funkce identické. Pro standardní aplikace (např. zadávání požadované hodnoty otáček pomocí otočného potenciometru nebo jako nastavitelné pevné hodnoty) se používá funkční modul tzv. standardní I/O, pro náročnější aplikace (např. regulace polohou tanečníku, inverzní regulace) je možné použít tzv. aplikační I/O. Kromě toho se dodávají funkční moduly pro připojení na datové sběrnice, např. Interbus, Profibus-DP, RS-485, systémová sběrnice (CAN), DeviceNet.

Rychlého přizpůsobení budoucím trendům je možné dosáhnout instalací nového funkčního modulu; samotný měnič tím zůstává nedotčen.

Otevřeno pro automatizaci

V mnoha případech použití slouží měnič frekvence také k zapojení pohonu do automatizačního systému. K tomu se využívají odpovídající funkční moduly, které dovolují připojit měnič frekvence např. na stávající datové sběrnice systému. Ty jsou velmi výhodné zvláště pro techniku decentralizovaných pohonů, protože teprve při využití datových sběrnic je možné hospodárně realizovat decentralizovaná řešení u velkých zařízení.

Zvláštní výhody nabízí smíšený provoz sběrnicového systému s dodatečnými analogovými nebo digitálními svorkami: analogové nebo digitální signály jsou např. ze svorek „sbírány„ a bez vlivu na řízení pohonu jsou předávány na sběrnicový systém. Tím se sníží náklady na propojení v rámci zařízení nebo odpadnou další jednotky (pro připojení na datovou sběrnici).

Funkční modul systémové sběrnice (CAN) umožňuje propojení několika měničů frekvence a tím vzájemnou výměnu dat – i bez nadřízeného řídicího systému. Síť systémové sběrnice poskytuje také možnost dálkového nastavení parametrů, tzn. že všechny měniče frekvence v síti mohou být obslouženy z jednoho místa. To uspoří čas a usnadní např. uvedení do provozu.

Další příslušenství, jako decentralizované rozšíření svorkovnic, obslužné a zadávací přístroje nebo řídicí jednotka pohonu (Drive PLC), nabízí možnost podle potřeb rozšířit „vybavení“ měniče frekvence – a to vše je také připojeno na systémovou sběrnici. Drive PLC (obr. 1) je řídicí jednotka PLC přizpůsobená pro účely techniky pohonů, s možností multitaskingu (současného provádění více programových aplikací), vybavená systémovou sběrnicí (CAN). Speciální, předem promyšlená řešení pohonů v podobě knihovny umožňují jednoduché a rychlé navázání měniče frekvence do programu PLC. Programuje se na PC podle známé mezinárodní normy IEC 1131-3.

Vše v jednom (all on-board)

Integrované prvky hardwaru, jako např. díly rádiového odrušení (volitelně také podložené externí filtry), vstup pro hlídání teploty motoru (PTC nebo tepelný kontakt) a brzdný tranzistor pro odvedení energie z brzdění do přímo připojeného brzdného odporu, odstraňují nutnost použít externí součásti. Tím se redukují instalační náklady a odpadnou rozhraní, která jsou zdrojem poruch.

Měnič frekvence přebírá mnoho funkcí, které původně vykonávaly externí jednotky nebo nadřízená řídicí jednotka. Uveďme několik příkladů. Signál koncového spínače jde – místo na PLC – přímo na digitální vstup a tam vyvolá reakci. Invertování úrovní digitálních vstupů a výstupů usnadní zapojení měniče do stávajících systémů řízení. Díky vektorové regulaci je možné nastavení otáček v širokém rozsahu (1 : 50) a dosáhne se překvapující přesnosti bez použití nákladné a k poruchám náchylné zpětné vazby. Integrovaný regulátor PID (Proportional Integral Derivate – integračně-derivační proporcionální regulátor) reguluje průtok, tlak nebo teplotu. Zpožďující členy odstraní odskoky kontaktů v bodech přepnutí. Matematické funkce sčítají, odčítají nebo násobí požadované hodnoty otáček. Tím pro vyšší řízení odpadají úkoly, které se odehrávají na nejnižší úrovni (senzor). Výsledkem je cenově výhodnější a také transparentnější zařízení, neboť vznikají samostatné funkční jednotky (subsystémy).

K tomu příklad jednoduché aplikace. Objemový tok (obr. 2) je regulován integrovaným PID regulátorem. Průběh objemového toku je vyhodnocován snímačem tlaku. Tlak je závislý na druhé mocnině objemového toku. Pomocí funkce odmocnění, integrované ve funkčním modulu, se získá odmocnina ze skutečné hodnoty, která pak může být zpracována PID regulátorem.

Rychlá instalace a uvedení do provozu

Zmiňované měniče lze do rozváděčové skříně (8200 vector) montovat díky možnosti řadit je vedle sebe a rovněž díky jejich kompaktnímu provedení. Montovat je lze flexibilně přišroubováním na normovaný rastr (25 mm). Zásuvné svorky usnadňují a zkracují dobu instalace. Je také možné použít konstrukčně promyšlená řešení pro boční nebo otočné upevnění, rovněž i montáž na kloboukovou lištu a desky k upevnění stínění přívodních kabelů. Pro montáž v místě pohonu (8200 motec) se počítá s upevněním na motor místo skříňky pro svorkovnici. S ohledem na montážní polohu celého pohonu má uživatel všechny stupně volnosti. Nabídku doplňuje kompletní pohon s motorem nebo převodovkovým motorem včetně měniče frekvence (všechno kompletně smontováno a zapojeno, na přání s elektromechanickou zajišťovací brzdou). Pro lepší přístupnost obsluze nebo pro potřeby servisu je 8200 motec vhodný také pro montáž na stěnu. Výměna měniče frekvence 8200 motec je obzvláště snadná: celá elektronika je řešena jako zásuvný modul a lze ji vyměnit v několika sekundách.

Pro uvedení do provozu v mnoha případech stačí nastavení měniče z výroby. Jsou-li zapotřebí změny, je možné je rychle zařídit pomocí ovládací jednotky (Keypad), a to i za provozu. Možnost kopírovat nastavení z jednoho měniče frekvence do druhého využitím ovládací jednotky šetří čas. Pro pohodlnou obsluhu pomocí PC je k dispozici programové vybavení v obvyklém prostředí OS Windows. Uvádění do provozu je podporováno zobrazením stavových a poruchových hlášení nebo také provozních údajů, např. proud motoru a napětí motoru. Externí měřicí přístroje proto nejsou nutné. Poruchy během provozu jsou rychle identifikovány a tím se redukují prostoje na minimum.

Decentralizované řešení s ohledem na výsledný celek

Pro obecně uskutečnitelné řešení decentralizovaných úkolů pohonů je kromě měniče frekvence 8200 motec využíván i elektronický spínač motoru „starttec„. Na rozdíl od měniče frekvence neslouží k řízení otáček, ale k zapínání a vypínání neregulovaných motorů. Při použití spínače motorů není zapotřebí síťový stykač; decentralizovaně řízené spínání vykonává spínač motoru pomocí integrovaných řídicích svorek nebo po sběrnici.

Logické vyhodnocení digitálních signálů (např. funkce AND jako podmínka spuštění), integrované spínání brzdy a integrovaný jistič motoru s nastavitelnou vypínací charakteristikou – to jsou dodatečné možnosti, které doplňují prosté spínání motoru a umožňují jednoduché, inteligentní a cenově výhodné řešení pohonu – částečně bez nadřízeného PLC. Přednosti měniče frekvence 8200 motec, jako vysoký stupeň krytí (IP65), možnost montáže na motor nebo na stěnu, smyčkování síťového přívodu (Energiebus), stavová a poruchová hlášení v místě (zkrácení doby prostojů), nabízí také starttec (obr. 3). Použití součástí ze stavebnice měničů frekvence pro spínače motorů (ovládací jednotka pro obsluhu nebo funkční moduly pro připojení na datovou sběrnici) podtrhuje snahu o normalizaci.

Pro speciální aplikace v dopravní technice je připraven úplný systém pro řízení dopravních zařízení. Používá se např. pro řízení válečkových dopravníků, válečkových zvedacích stolů, otočných stolů atd. (obr. 4). Systém se skládá ze značného počtu navzájem přizpůsobených součástí – od řízení motoru měničem frekvence, přes „konfekcionované“ konektory pro snímače až po konfigurační a diagnostické programové vybavení. Zásuvné přívody a propojky umožňují rychlou a jednoduchou instalaci. Při poruše je možné celé řízení vyměnit za dobu kratší než tři minuty. To jsou výhody, jejichž význam se projeví u zařízení, u něhož záleží na vysokém stupni pohotovosti.