| Sto let od realizace prvního Ilgnerova soustrojí v hutích doc. Ing. Karel Chmelík, CSc., VŠB TU Ostrava 1. Historie Ilgnerova soustrojí Dne 24. září 1891 si v Německu nechal Harry Ward Leonard patentovat rotační měnič [7], skládající se ze střídavého pohonného motoru a stejnosměrného dynama pro napájení stejnosměrných motorů. Tento patent doplnil v roce 1901 Karel Ilgner o setrvačník, který umístnil na společnou hřídel motoru a dynama. Toto soustrojí mělo celosvětovou premiéru u vratné válcovací trati v železárnách v Třinci, a to uvedením do provozu 28. 7. 1906 [2], [4]. Vyrobila a dodala je firma AEG (obr. 1). Okolo roku 1912 dodala firma Siemens – Schuckert Ilgnerovo soustrojí pro práci v dole Michal v Ostravě. Byl to dvojitý měnič pro napájení stejnosměrného motoru pro pohon těžního stroje. V roce 1914 bylo v Třinci postaveno druhé soustrojí pro napájení blokové trati, které pracovalo až do roku 1995. Ilgnerovo soustrojí bylo dále postaveno v roce 1915 i ve Vítkovických železárnách [5] a v roce 1932 dodala další takovéto soustrojí do Třince také firma Škoda Plzeň.  Obr. 1. První model Ilgnerova soustrojí vyrobený firmou AEG 2. Využití v průmyslových zařízeních Ilgnerovo soustrojí se výhodně využívalo k pohonu s velkými výkony a krátkodobým rázovým zatížením pro vyrovnávání vlivů rázů činné i jalové energie na napájecí síť. Soustava se využívala pro pohony válcoven a těžních strojů. U blokových stolic válcoven většinou šlo o individuální vratný pohon dvou pracovních válců, jejichž úhlová rychlost musela být zcela synchronní. Každý válec byl poháněn stejnosměrným motorem o výkonu asi 3 000 kW, 40/100 min–1. Dalším požadavkem byla rychlá změna rychlosti i směru otáčení válců. Motory byly napájeny z dynam Ilgnerova soustrojí o velikosti J = 100 t·m2 i více. Motory blokoven musely být dimenzovány na velké výkonové rázy, a tedy s přetížitelností až třínásobnou po dobu 3 až 5 s. Takové nárazové zatížení s následujícím chodem naprázdno by bez příslušných opatření působilo velmi nepříznivě na napájecí síť, v níž by pak docházelo ke kolísání napětí a zvýšeným ztrátám energie.V těchto případech se velmi uplatnilo Ilgnerovo soustrojí. Jeho velkou výhodou je tlumení uvedených výkonových rázů. Za pohonný motor musí být volen asynchronní motor s vinutým rotorem, aby se regulací odporu, připojeného přes kroužky k rotorovému vinutí, mohl částečně měnit skluz, a tudíž bylo možné regulovat otáčky (max. o 20 % pod synchronní otáčky). Odpor, většinou kapalinový odporník, je řízen skluzovým regulátorem. Schéma soustrojí je na obr. 2.  Obr. 2. Schéma Ilgnerova soustrojí 3. Zkušenosti z provozu rotačních soustrojí Činnost Ilgnerova soustrojí lze vysvětlit např. na pohonu blokové válcovací trati, kde musí pohon pracovat s krátkodobým rázovým zatížením a následujícím odlehčením. Kdyby byl pohon napájen z Leonardova měniče (obr. 3) nebo statického usměrňovače, přenášely by se vlivy rázů na napájecí síť. Při napájení z Ilgnerova měniče je stejnosměrná část pohonu, tj. motory a jejich napájecí dynama, namáhána plnými výkonovými rázy (každá část více než 5 MW, což by pro měnič představovalo asi 11 MW). Setrvačné hmoty Ilgnerova soustrojí při rázu dodají značnou část energie, takže pohonný asynchronní motor odebírá ze sítě asi 7 MW a jistou hodnotu jalové energie. Při nejvyšších otáčkách je v soustrojí nahromaděna kinetická energie o velikosti 157 MW·s. Při vpichu ingotu do válců stolice, které jsou roztočeny, vznikne brzdný moment působící na soustavu válcovací stolice. Působením otáčkové vazby se pohon snaží udržet otáčky stejnosměrného motoru. Tento moment či výkon musí dodat také dynamo. Zpočátku tedy působí tento ráz jako brzdný moment i na asynchronní motor, a proto je v počáteční fázi energie dodávána ze setrvačných hmot soustrojí. Po jisté době se více energie odebírá ze sítě. Asynchronní motor se skluzovým regulátorem v obvodu rotoru nejdříve pracuje podle vlastní charakteristiky, tzn. že se vrůstajícím momentem klesají otáčky soustrojí a roste výkon odebíraný ze sítě. Princip vyrovnávání zatížení je na obr. 4. Při velkém výkonovém rázu se otáčky soustrojí poněkud zpomalí a setrvačník svou kinetickou energií přispívá ke zmírnění špičky. Při následujícím chodu naprázdno si setrvačník tuto energii doplňuje. Náročnost na řídicí a regulační systém tohoto reverzačního pohonu lze demonstrovat např. na skutečnosti, že pohon, tj. kotvy motorů, vřetena, spojky i válce stolice, jejichž celková hmotnost přesahuje 80 t, je schopen změnit směr otáčení ze základních otáček na základní v opačném směru za 0,5 s, popř. z maximálních otáček jednoho směru na maximální otáčky v opačném směru za 1,5 s.  Obr. 3. Leonardův měnič výrobený ČKD Poklesu otáček odpovídá i energie odebíraná ze setrvačníku. Při krátkém průchodu ingotu válci je potřebná energie asi 14 700 kW·s. Setrvačník dodá 10 000 kW·s a zbývající energie je hrazena z napájecí sítě. To odpovídá i obecným zásadám, že energie dodaná setrvačníkem má být zhruba 10 % celkové energie nahromaděné v setrvačníku. 4. Rekonstrukce a modernizace soustrojí Pro zvýšení energetické účinnosti přeměny střídavého proudu na stejnosměrný Ilgnerovým soustrojím bylo již na počátku minulého století uvažováno využít skluzovou energii, a to prostřednictvím mechanické Krämerovy kaskády (soubor elektrických strojů určený k hospodárnému řízení rychlosti – pozn. red.) anebo elektrické Scherbiusovy kaskády (podsynchronní kaskáda, vyznačující se tím, že se skluzová energie asynchronního kroužkového motoru přivádí na kroužky jednokotvového synchronního měniče; z jeho DC strany je napájena kotva stejnosměrného elektromotoru, který na hřídeli pohání synchronní generátor, jenž vrací energii do sítě – pozn. red.). Protože realizace těchto kaskád s rotačními stroji byla málo účinná, byly kaskády rozšířeny až s použitím statických měničů. Příklad realizované podsynchronní kaskády je na obr. 5 [6].  Obr. 4. Princip vyrovnávání zatížení blokové válcovací trati setrvačnou hmotou Ilgnerova soustrojí Takto mohla být skluzová energie, která dosud byla mařena v kapalinovém odporníku, vracena zpět do sítě. Tím se ušetřilo značné množství elektrické energie, takže náklady na tuto investici se vrátily za přibližně pět a půl roku. Dále je vhodné zmínit, že zmíněný asynchronní motor o výkonu 7 500 kW je dnes zabudován ve válcovně trub a je napájen z měniče frekvence. Další důvody modernizace pohonů jsou: výrobní technologie nebo výrobní agregát je zastaralý a již je vytvořena nová technologie či agregát, na stávajícím technologickém zařízení je nutné vyrábět nový produkt, který vyžaduje vyšší výkon, moment, rychlost nebo jiný parametr elektrického zařízení, stávající elektrické zařízení zastaralo nebo je na konci životnosti, což se projevuje zvýšenou poruchovostí, nedostatkem náhradních dílů, vyšší energetickou náročností apod.  Obr. 5. Příklad podsynchronní kaskády Od modernizace jsou vždy očekávány úspory energie, lepší dynamické vlastnosti, vyšší spolehlivost, menší nároky na prostor, snadnější a nenáročná údržba. Například pohony blokoven byly modernizovány použitím statických měničů pro napájení budicích systémů stejnosměrných motorů a dynam. Zároveň bylo modernizováno řízení i regulace hlavního pohonu. V roce 1987 byla instalována podsynchronní kaskáda pro Ilgnerovo soustrojí včetně zvýšení výkonu pohonného asynchronního motoru. Ilgnerovo soustrojí bylo nahrazováno rtuťovými exitrony a později tyristorovým měničem. Jestliže při náhradě Ilgnerova soustrojí statickými měniči bylo vždy dosaženo vyšších dynamických vlastností i úspor energie, ostatní očekávání obvykle nebyla naplněna. Navíc se připojilo velmi negativní ovlivňování napájecí sítě i napájených stejnosměrných motorů. 5. Závěr Svět již je takový, že něco končí a něco začíná. To platí i pro nové hutnické technologické procesy a s nimi související nové elektrické regulační pohony na střídavý proud s číslicovým řízením a dalšími moderními nejen elektrickými prvky. Proto uvedené zamyšlení nemá být pouze vzpomínkou pamětníka, ale mělo by upozornit na to, že naši předkové uměli řešit velice složité technické problémy velmi účelně a jimi navržená a vyrobená zařízení úspěšně pracovala desítky let. Zde je namístě připomenout, že teprve letos byl ukončen provoz válcovací stolice v Lískovci, která byl postavena v roce 1908. Literatura:
[1] LEDR, Z.: 100 let od udělení patentů na Ward Leonardovu regulační soustavu*). Elektro, 12/1991, s. 367–368.
[2] DANIHELKA, A. a kol.: Dějiny hutnictví železa v Československu. Academia, Praha, 1986.
[3] POŠÍK, V.: Historický vývoj zabezpečení Třineckých železáren energiemi. Autorova nabídka přednášky, Praha, 1910.
[4] STOČES, B.: Dvacet pět let Báňské a hutní společnosti. Česká grafická unie a. s. Praha, 1931, 154 str.
[5] FRANC, V.: Elektřina ve VŽ jako stěžejní síla jejich růstu a rozvoje. Ostrava, 1978 (přednáška).
[6] CHMELÍK, K.: Ilgnerův měnič s podsynchronní ventilovou kaskádou. Elektrotechnik, 9/1989.
[7] HRUŠA, J.: Elektrický pohon těžních strojů. SNTL, Praha, 1956.
*) Před nedávnem byl striktně vyžadován název Leonardovo soustrojí nebo Leonardův měnič. V praxi se používal název Ward-Leonard. Ward bylo dívčí příjmení Leonardovy matky [1], které Leonard převzal. Dnes je podle ČSN IEC 50(411) opět nutné používat název Ward-Leonardovo soustrojí. |
