Měniče frekvence na českém trhu

 

Výrobci strojních zařízení stále častěji in­stalují před elektrické motory pro pohon za­řízení měniče frekvence. Stejně tak provo­zovatelé starších zařízení se intenzivně snaží vhodně nahradit dosavadní způsoby regulace řešením s měniči frekvence. Hlavními před­nostmi tohoto řešení jsou kromě regulace otá­ček také rozběhy motorů, zabudované ochran­né funkce a snížení mechanického opotřebe­ní navazujících zařízení. Měniče frekvence tak lze najít v pračkách, pohonech garážo­vých vrat a závor, v tepelných čerpadlech, dopravnících, jeřábech, extrudérech, drtičích, dmychadlech, kompresorech, odstředivkách, pecích, papírenských strojích a válcovnách, na čerpadlech a ventilátorech v domácnos­tech i v průmyslu a v mnoha dalších úlohách.

 

Měnič frekvence v současném pojetí je elektronický přístroj, který umožňuje měnit frekvenci sítě na požadovanou frekvenci. Mě­niče frekvence se skládají z výkonové části, zajišťující přeměnu parametrů napájecí sítě, a z řídicí elektroniky, která ovládá výkono­vou část a umožňuje komunikaci s okolím. Řídicí elektronika moderních měničů často zvládne mnoho úloh, které by jinak musely být zahrnuty v nadřazeném řídicím systému.

 

Měniče frekvence se vyrábějí ve výkono­vém rozsahu od několika set wattů až po při­bližně deset megawattů. Nejmenší jednotky lze napájet i z jednofázové sítě 230 V, při­čemž na výstupu je k dispozici síť 3× 230 V proměnné frekvence. Obvykle se však pro napájení používají standardní sítě 3× 400 V, 3× 500 V, 3× 690 V s jednotkami o výkonu do 5,6 MW (výkony asi od 0,5 do 100 MW se realizují též vysokonapěťovými měniči – mají kabely menších průřezů). Výstupní frek­vence může být až několik set hertzů, obvykle se využívá jen rozsah 0 až 100 Hz, což umož­ňuje s dvoupólovými motory regulovat otáč­ky od 0 do 6 000 min^–1.

 

Z hlediska vnitřního řízení měniče frekven­ce se vyskytuje několik systémů, o kterých je třeba se zmínit. Nejjednodušší je skalární ří­zení, které je založeno na řízení poměru U/f a v podstatě vytváří síť proměnného napětí a frekvence nezávisle na motoru. Je proto dy­namicky nejpomalejší, avšak pro jednoduché úlohy plně vyhovuje. Naopak velmi přesné a dynamické řízení je vektorové, které však obvykle vyžaduje otáčkovou zpětnou vazbu (např. tachogenerátor). V současné době byl vyvinut systém řízení sensorless vector con­trol, který zapojení čidla otáček nevyžaduje. Jak pro skalární, tak pro vektorové řízení je typický prvek modulátoru, který řídí spínání prvků měniče s pravidelnou spínací frekvencí.

 

V současné době asi nejdokonalejší řízení je tzv. přímé řízení momentu (DTC – Direct Torque Control). Jádrem systému jsou hys­terezní regulátory momentu a magnetického toku, které využívají optimalizovanou spínací logiku, čímž odpadá prvek modulátoru. Velmi důležitou částí řízení je přesný model motoru. V něm se vypočítává skutečný moment, stato­rový magnetický tok a otáčky hřídele z prou­du měřeného ve dvou fázích motoru a ze stej­nosměrného napětí v meziobvodu. Tyto výpo­čty jsou během jedné sekundy uskutečněny 40 000krát, takže regulátor DTC přesně ví, jak se chová hřídel motoru. Přesnost modelu moto­ru závisí na tzv. identifikačním běhu, který pro­běhne při uvádění pohonu do provozu. Hlavní­mi parametry modelu motoru jsou indukčnos­ti a odpor statoru. Bere se v úvahu rovněž vliv magnetické indukce na velikost indukčností. Referenční hodnoty momentu a toku jsou po­rovnávány se skutečnými hodnotami a řídicí signály jsou generovány dvouúrovňovou hyste­rezní logikou. V DTC není samostatný šířkově pulzní modulátor (PWM – Pulse Width Modu­lator), který by řídil napětí a frekvenci. Řízení DTC je popisováno jako spínání just in time – každé sepnutí je potřebné a využité. U klasic­kého řízení s PWM bývá 30 % sepnutí nevy­užitých. Díky uvedeným vlastnostem umož­ňuje DTC mimořádně rychlou momentovou odezvu (pod 2 ms) a velmi rychlou reverzaci. Moment vykazuje značnou linearitu v celém rozsahu otáček, včetně nulových. Přesnost re­gulace otáček je velmi dobrá v celém otáčko­vém rozsahu, a to i bez nutnosti použít zpět­novazební čidlo otáček. Navíc při použití čidla otáček je takovýto pohon z hlediska regulace úhlové rychlosti roven stejnosměrnému poho­nu (statická chyba otáček je 0,01 %), a splňu­je tak nejpřísnější požadavky jak na dynami­ku, tak na přesnost. Dalšími přednostmi řízení DTC jsou možnosti překlenutí krátkodobých výpadků napájecího napětí, letmý start, potla­čení momentových rázů, snížení hlučnosti, op­timalizace magnetického toku motoru, brzdění tokem a velký moment i v nulových otáčkách.

 

Při správném dimenzování regulovaného pohonu s měniči frekvence je vždy nutné vy­cházet z charakteru zátěže (kvadratický zátěž­ný moment či konstantní zátěžný moment), z požadovaného rozsahu regulace otáček, pře­tížení a pracovního cyklu. Při regulaci otáček směrem dolů klesá dovolený moment motoru především z důvodu ztráty výkonu jeho vlast­ního ventilátoru. Použije-li se cizí chlazení, je pokles méně výrazný. Nad jmenovitou rych­lostí motoru zase dochází k odbuzování (ne­dostatečné magnetické pole) a moment hyper­bolicky klesá. Vždy je proto třeba kontrolovat i maximální možný rozsah regulace otáček. Je třeba také vzít v úvahu přídavné ztráty v mo­toru způsobené napájením z měniče frekvence a možné působení ložiskových proudů. Od ur­čitých výkonů a od předepsaných napěťových hladin se proto vybavují jak motor, tak měnič potřebnými doplňky, jako jsou zesílená izola­ce vinutí, izolované ložisko na N-konci, filtry du/dt nebo filtry souhlasného napětí.

 

Ač je proud tekoucí do motoru sinusový, na­pětí je složeno z velmi ostrých napěťových pul­zů. Tyto pulzy namáhají izolaci motoru a toto namáhání je závislé i na délce kabelu k moto­ru. Proto je jejich délka omezena a je přesně dána podle typu měniče frekvence. Při použití výstupní tlumivky maximální možná délka ka­belu k motoru roste. Tento problém se odstra­ňuje použitím tzv. sinusového filtru (tlumivky a kondenzátory). Dalším souvisejícím problé­mem jsou i ložiskové proudy. Proto se používá jedno ložisko izolované od štítu motoru.

 

Díky měničům frekvence jako regulační­mu prvku je umožněna vzdálená diagnostika a ovládání technologie prostřednictvím GSM nebo internetu.

 

Měniče frekvence bývají přednastaveny přímo od výrobce, takže je lze snadno při­způsobit běžným úlohám. Výrobci měničů však také vyvíjejí specializované programo­vé vybavení, které umožní plně přizpůsobit funkce měniče konkrétnímu použití. Často jsou funkce, které by jinak musel řešit exter­ní řídicí PLC, implementovány přímo do mě­niče frekvence, což přináší výrazné úspory.

 

Z hlediska napájecí sítě je předností, že proud je odebírán s účiníkem blízkým jedné. Z toho vyplývá příznivá okolnost – není tře­ba instalovat kompenzaci účiníku. Z energe­tického hlediska má měnič frekvence obvyk­le účinnost přibližně 98 %. Z hlediska použití jsou nejdůležitější energetické úspory, proto se měniče frekvence běžně instalují. Neza­nedbatelné jsou však i jiné vlastnosti – zcela klidný rozběh, snadná, rychlá a přesná regu­lace, možnost nadřazeného řízení, vysoký do­sažitelný moment (150 %, někdy i 200 % jme­novitého momentu), malé opotřebení poháně­ného zařízení, redukovaný hluk aj.

 

Na následujících čtyřech stránkách byl ve spolupráci s dodavateli, resp. výrobci měni­čů frekvence sestaven přehled těchto přístro­jů podle jejich nejdůležitějších parametrů, jako jsou např. výkon, napětí, výstupní frek­vence, max. trvalý výstupní proud, přetížitel­nost, rozsah provozních teplot se jmenovitým nebo zmenšeným proudem, zapojení vstupní­ho usměrňovače, typ řízení prvků střídače, chlazení, krytí IP, EMC filtry, výstupní du/dt nebo sinusové filtry, brzdný měnič, vstupní tlumivka, počet analogových a digitálních I/O, specializované programové vybavení aj.