Úvodní projekt s novými měniči frekvence Sinamics G150

Úvodní projekt s novými měniči frekvence Sinamics G150

Tomáš Romek, Siemens s. r. o.,
divize Automatizace a pohony

U motorů čerpadel, ventilátorů a kompresorů vyniknou přednosti regulovaných pohonů: přesná regulace technologického procesu, snížení opotřebení díky pozvolnému rozběhu a doběhu stroje, zamezení vzniku nepříznivých provozních stavů zařízení a v neposlední řadě i úspora energie až 50 %.

Čistírna odpadních vod ve Würzburgu

Vzhledem k již uvedeným přednostem se v čistírně odpadních vod ve Würzburgu rozhodli pro rekonstrukci pohonu kompresoru vhánění kyslíku (vzduchu) do aktivační nádrže v podobě jeho regulace (obr. 1). Dřívější pohon s pevnými otáčkami a následnou regulací průtoku škrcením byl nahrazen regulovaným pohonem s měničem frekvence Sinamics G150. Ten je speciálně určen pro pohon čerpadel, ventilátorů a kompresorů.

Obr. 1. Jedna z aktivačních nádrží čistírny ve Würzburgu; provzdušňovací kompresory pro vhánění kyslíku jsou nyní osazeny měniči frekvence Siemens Sinamics G150

Regulované pohony optimalizují přívod kyslíku

Aktivační nádrž je určena pro biologické čištění odpadních vod. Mikroorganismy odbourávající organický podíl v kalu potřebují k životu kyslík. Ten je do aktivační nádrže přiváděn vzduchem, k jehož vhánění je využit kompresor. Potřeba kyslíku kolísá v závislosti na složení a podílu kalu v odpadních vodách – obzvláště velké rozdíly jsou mezi dnem a nocí.

Pro přizpůsobení množství přiváděného kyslíku okamžité potřebě je nutná regulace. Dosud byl přívod kyslíku ve zmíněné čistírně regulován průtokem vzduchu s využitím šoupátka při konstantním tlaku vzduchu. Konstantní tlak vzduchu byl zajišťován turbokompresorem, poháněným motorem s pevnými otáčkami.

Možnost úspory energie a snížení mechanického namáhání vedly provozovatele čistírny k rekonstrukci pohonu pro aktivační nádrže. Současný motor s pevnými otáčkami byl vybaven měničem frekvence. Pohon byl tímto způsobem rekonstruován na regulovaný.

Pozvolný rozběh šetří mechaniku

Měnič frekvence především zajišťuje pozvolný rozběh pohonu kompresoru. Tím se šetří celé soustrojí pohonu (motor, zařazené převody a spojky), pracovní stroj (zde kompresor) a potrubí. Na rozdíl od pohonu s pevnými otáčkami nevznikají při využití regulovaného pohonu momentové rázy při spouštění motoru. Řízen je také proces zastavení, tj. doběhu. Pozvolné rozběhy a doběhy výrazně omezují opotřebení součástí pohonu a zařízení. Snižují se i náklady na údržbu a opravu a životnost dílů se prodlužuje.

Dále je měnič frekvence začleněn do regulačního obvodu, který kontinuálně zjišťuje potřebu kyslíku měřením koncentrace kyslíku a čpavku v aktivační nádrži; podle potřeby kyslíku nastavuje otáčky turbokompresoru. Tento nový způsob regulace – v porovnání s dřívějším – zpřesňuje dávkování přiváděného kyslíku.

Úspora energie

Úspora elektrické energie má rozhodující vliv na provozní náklady. Energie spotřebovaná čerpadly, ventilátory a kompresory se na provozních nákladech podílí asi jednou třetinou. Obzvláště velké úspory lze dosáhnout u pohonů, které jsou často z provozních důvodů zatíženy jen částečně. Na rozdíl od pohonů s motory s pevnými otáčkami lze příkon regulovaných pohonů s měniči frekvence přizpůsobit okamžitým potřebám řízeného procesu. Jinak řečeno, motor odebírá jen takový příkon, jaký je právě potřebný. Výsledkem – ve srovnání s pohonem s pevnými otáčkami stejného výkonu a s následnou regulací průtoku mechanickým způsobem (škrcením) – je zřetelně snížená spotřeba elektrické energie. Podle provozní charakteristiky zařízení může úspora energie dosáhnout až 50 %.

Žádné nepříznivé provozní stavy

Řízením otáček se lze u čerpadel a turbokompresorů vyhnout špatným provozním stavům. Přeskočením nepříznivých frekvencí nebo posunutím pracovní frekvence měniče je možné potlačit kolísání průtoku média, kolísání točivého momentu pohonu nebo jiné nepříznivé jevy. Zvláštním problémem turbokompresorů jsou nadzvukové tlakové rázy, při kterých dochází k lokálnímu proudění média v kompresoru nadzvukovou rychlostí. To může způsobit utržení proudění v oběžném kole kompresoru a vznik nepřípustných tlakových rázů a vést k zablokování průřezu kanálu oběžného kola. Důsledkem těchto jevů je snížení účinnosti kompresoru, opotřebení, značná hlučnost a kolísání a rázy v celém potrubním systému. Nadzvukové rázy v turbokompresoru lze vyloučit řízením otáček pohonu měničem frekvence.

Obr. 2. Měniče frekvence G150 jsou speciálně určeny pro čerpadla, ventilátory a kompresory; v aplikaci ve Würzburgu jsou použity v provedení C se šířkou skříně pouze 40 cm při výkonu 250 kW; to odpovídá levé části skříně vyobrazené na obr. 1; jedná se o značnou úsporu zastavěné plochy v porovnání s běžnými původními produkty

Měnič frekvence pro čerpadla, ventilátory a kompresory

Řízení otáček pohonu kompresoru v čistírně odpadních vod ve Würzburgu zajišťuje měnič frekvence Sinamics G150. Je zkonstruován speciálně pro pohony čerpadel, ventilátorů a kompresorů (obr. 2). Jeho vektorové řízení je uzpůsobeno pro kvadratický průběh momentu zátěže těchto strojů a nevyžaduje žádnou zpětnou vazbu od otáček pohonu, tj. snímač otáček motoru není potřebný. Konstrukce měniče je přitom velmi jednoduchá a robustní. Výsledkem je spolehlivost měniče v provozu, nenáročnost na údržbu a jednoduchost obsluhy.

Jednoduchá obsluha

Obsluha měniče i jeho uvedení do provozu jsou velmi jednoduché. Grafický displej s texty je dostatečně názorný – příručka je zbytečná. Za provozu lze nejdůležitější parametry pohonu, tj. proud, referenční a okamžitou hodnotu otáček, zobrazit v kvazianalogovém tvaru sloupcovými grafy. To umožňuje rychle získat přehled o stavu pohonu.

Údržba měniče frekvence Sinamics G150 je velmi jednoduchá a pohodlná. Jednotlivé moduly lze rychle a bez problémů namontovat i demontovat. Sinamics G150 je kromě toho v současné době nejtišší a nejkompaktnější skříňový měnič frekvence – hladina hluku měniče je jen 69 dB (A) při plném výkonu. Na odhlučnění nejsou zapotřebí žádná opatření ani při projektování, ani při montáži.

Úspora zastavěné plochy

Zastavěná plocha skříně s měničem Sinamics v čistírně odpadních vod ve Würzburgu je o 70 % menší než u jiných běžných měničů porovnatelného výkonu. Už „standardní“ skříň s měničem Sinamics G150 s komponentami pro připojení na napájecí síť může ušetřit až 50 % potřebné půdorysné plochy. V této čistírně – stejně jako v mnoha jiných provozech – je centrální rozvodna nízkého napětí, a proto nejsou nutná další spínací zařízení pro připojení měniče na síť. Speciálně pro tyto aplikace byla ve firmě Siemens navržena skříň Sinamics G150 v provedení C. Ta je v porovnání se standardní skříní ještě kompaktnější a úspora zastavěné plochy v tomto případě dosahuje až 70 %. Například šířka skříně s měničem Sinamics G150 o výkonu 200 kW je jen 40 cm, při výkonu 450 kW je šířka skříně pouze 60 cm – úspora místa v rozvodně je značná.

Aplikace měniče frekvence

Měnič frekvence Sinamics G150 je svou konstrukcí a provozními vlastnostmi vhodný obzvláště pro pohony čerpadel, ventilátorů a kompresorů. Jeho instalace je výhodná zejména tam, kde regulace otáček pohonu vede k úsporám energie a ke snížení mechanického namáhání a tím ke snížení provozních nákladů. Kromě použití měniče frekvence pro větrání jsou to především aplikace u čerpadel všeho druhu. Sinamics G150 je nejčastěji zařazován právě u čerpadel, kde šetří až 50 % elektrické energie, zajišťuje hladký rozběh – je šetrný k namáhání materiálu. Dále odstraňuje nepříznivé provozní stavy – kavitační jevy, víření při částečném zatížení, kolísání průtoku nebo strhávání plynu. Malým posunutím frekvence měniče vymizí kavitační bubliny, které dokážou „sežrat„ lopatky čerpadla. Regulací otáček lze rozptýlit i rozsáhlejší oblasti plynu v proudící kapalině, které jinak mohou způsobit přerušení proudění kapaliny.

V současné době jsou měniče frekvence Sinamics G150 instalovány v mnoha aplikacích podobného typu, tedy u pohonů s kvadratickým protimomentem, po celém světě.

Doposud realizovala společnost Siemens v České republice několik podobných projektů, kde byly instalovány uvedené měniče ve výkonovém rozmezí 132 až 560 kW. Kompletní referenční listina je k dispozici ve firmě Siemens s. r. o., divize Automatizace a pohony. V souvislosti s požadavky zákazníků firma rovněž nabízí zpracování výpočtů úspor energií při aplikaci regulovaných pohonů ve fázi investičních úvah uživatele.