Pokračujeme v díle těch,
kteří byli první.

Aktuální vydání

Číslo 2/2017 vyšlo
tiskem 17. 2. 2017. V elektronické verzi na webu od 10. 3. 2017. 

Téma: Elektrické přístroje – spínací, jisticí, ochranné a signalizační; Přístroje pro inteligentní sítě

Hlavní článek
Atypický návrh výkonového stejnosměrného zdroje se středofrekvenčním transformátorovým filtrem rušivého napětí

Aktuality

V distribuční soustavě (DS) ČEZ Distribuce, a. s. je vyhlášen kalamitní stav Od 9 h dne 24.2.2017 je vyhlášen kalamitní stav v Karlovarském kraji - okres Karlovy Vary…

Veletrh Věda Výzkum Inovace 2017 zahájí místopředseda vlády Pavel Bělobrádek Letošní ročník Veletrhu Věda Výzkum Inovace zahájí na brněnském výstavišti 28. února 2017…

Chytré lampy PRE potvrdily zhoršenou smogovou situaci v Praze Chytré lampy PRE potvrdily v rámci svého pilotního provozu, že v Holešovicích a…

Jak se bydlí v pasivních domech, řeknou jejich majitelé na veletrhu FOR PASIV Další ročník veletrhu FOR PASIV, který je zaměřený na projektování a výstavbu…

Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze představí zájemcům o studium moderní techniku i její historii Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze pořádá v pátek 20. ledna od 8.30 hodin první…

Loňská výroba Temelína by stačila k pokrytí téměř roční spotřeby českých domácností Přesně 12,1 terawatthodin elektřiny (TWh) loni vyrobila Jaderná elektrárna Temelín. Je to…

Více aktualit

Měniče frekvence na českém trhu

Přehledový článek
 
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.
(redakce Elektro)