Potenciál vývoje v automatizačním průmyslu – regulované pohony

-- 28.06.10 14:40

Sledujeme-li výhled růstu spotřeby elektrické energie a primárních energií do roku 2030 a uvědomíme-li si, že fosilní paliva se vyčerpají v tomto století, pak je zřejmé, že je třeba přijmout patřičná opatření.

Snižování spotřeby elektrické energie zvyšováním účinnosti

Zásoby v podzemí jsou podle optimistického výhledu následující: ropa 32 let, zemní plyn 72 let, uhlí 252 let. Jedním ze současných trendů ve všech oblastech podnikání, v průmyslu i v domácnostech je snižování spotřeby elektrické energie. Toho lze docílit zejména zvyšováním účinnosti. Zajímavým údajem je jistě fakt, že téměř 65 % veškeré vyrobené elektrické energie spotřebovávají elektrické motory pro pohon mechanických zařízení. Pojďme si ukázat, jak můžeme přispět díky novým technologiím a konstrukčním řešením k výrazným úsporám, a to se zaměřením na těžký průmysl. Evropský potenciál úspor elektrické energie v oblasti pohonů ukazuje následující příklad:

• Zvýšení účinnosti optimalizací motorů – 15 %: 24 TWh / 11 Mtun CO2/rok

• Regulace otáček motorů a další zvýšení účinnosti čerpadel, ventilátorů, kompresorů – 85 %: 157 TWh / 69 Mtun CO2/rok

Šetřit mohou i samotné motory

Jedním z významných hledisek, která mohou vést ke značným úsporám, je sledování účinnosti elektrických motorů. Účinnost je poměr mezi mechanickým výkonem na hřídeli P2 a elektrickým příkonem na svorkách statorového vinutí P1. Vyšší účinnost znamená, že motor přeměňuje elektrický příkon na mechanický výkon s menšími ztrátami. Ztráty v tomto procesu způsobují oteplování motoru. Účinnost tak může být kamínkem na misce vah, který rozhodne o pořízení nového motoru. Díky kvalitním použitým materiálům a menšímu ventilátoru přinášejí motory s vyšší účinností kromě úspor ve spotřebě elektrické energie také delší dobu životnosti motoru, menší nároky na údržbu, nižší hlučnost a v neposlední řadě snížení emisí CO2. Elektrické motory jsou stále tažnými koňmi.

Použití motorů s vyšší účinností se jistě vyplatí, neboť náklady na spotřebu elektrické energie během jeho životnosti jsou daleko vyšší než náklady na jeho pořízení. Za povšimnutí stojí také typické rozložení výkonů instalovaných motorů ve výrobním závodě a jejich spotřeba elektrické energie. Výkony od 15 do 700 kW jsou zastoupeny jen z 14,8 %, ale jejich spotřeba elektrické energie je 84,4 %. Účinnost motoru je natolik významným pojmem, že v současné době probíhají i některé změny v legislativě. Cílem je stanovení pravidel pro výrobce a spotřebitele tak, aby technicko-ekonomické posuzování bylo sjednocené a jasně definované. Normou ČSN EN 60034- 2-1/ 2008 (IEC 2007) byla stanovena nová pravidla pro testování motorů za účelem stanovení ztrát a účinnosti.

Rozdělení účinnostních tříd podle evropských směrnic, které platilo od roku 1998, stanovovalo tři třídy účinnosti motorů – EFF1, EFF2 a EFF3 – kde nejvyšší účinností byla EFF1. Od roku 2009 (IEC 2008) platí nová norma ČSN EN 60034-30, která nově definuje třídy účinnosti asynchronních motorů: IE1 – standardní, IE2 – zvýšená (high), IE3 – vysoká (premium), IE4 – velmi vysoká (super premium). Navíc v EU bude zavedena směrnice MEPS (Minimum Energy-Efficiency Performance Standard), a to v následujících krocích (údaje platí pro nové motory):

• Od 16. června 2011 musí mít účinnost minimálně IE2.

• Od 1. ledna 2015 musí mít účinnost minimálně IE3 (pro motory napájené z měničů frekvence IE2), a to pro výkony 7,5– kW.

• Od 1. ledna 2017 musí mít účinnost minimálně IE3 (pro motory napájené z měničů frekvence IE2), a to pro výkony 0,75–375 kW.

Regulace otáček motorů měniči Frekvence

Pokud jsou pohony neregulované, značná část spotřebované elektrické energie bývá neefektivně zmařena. Výrobci strojních zařízení proto stále častěji instalují před elektrické motory pohánějící jejich zařízení měniče frekvence. Stejně tak provozovatelé stávajících zařízení intenzivně hledají provozy a aplikace, které by nahradily dosavadní způsoby regulace usměrněním otáček motorů prostřednictvím měničů frekvence. Kromě významných úspor elektrické energie přináší měniče frekvence také další výhody, jako měkký rozběh bez násobků jmenovitého proudu, snížení mechanického opotřebení poháněných zařízení, překlenutí krátkodobých výpadků napájecího napětí apod.

Úspory pro čerpadla a ventilátory

V řadě aplikací vzniká potřeba regulovat otáčky. Tato nutnost je odvozená od potřeby regulovat dopravované množství média, ať už je to materiál na dopravnících nebo třeba voda pro čerpadla či vzduch pro ventilátory. Ze všech dosud užívaných metod regulace je právě metoda řízení otáček měniči frekvence nejhospodárnější, neboť má nejnižší spotřebu energie a dovede se maximálně přizpůsobit požadavkům. Na obr. 1 je zjednodušené vyčíslení potřebného příkonu pro výkon na hřídeli 31 kW se zohledněním účinností celého systému, počínaje výrobou elektrické energie.

Při regulaci škrcením je to 100 kW a pro měnič frekvence je to pouze 43 kW. Ekonomické ukazatele vychází velmi příznivě u typických aplikací v pohonech oběhových čerpadel, napáječek, kouřových i primárních a sekundárních ventilátorů kotlů. Obvyklá doba návratnosti se pohybuje v rozmezí 1 až 2,5 roku. Naopak nízké úspory jsou tam, kde buďto běží zařízení trvale v blízkosti plného výkonu nebo pracuje do konstantního protitlaku. Čerpadla a ventilátory jsou největšími spotřebiteli energie v průmyslu EU.

Pohony pásové dopravy

Hlavním cílem je zvýšit produktivitu a efektivitu procesu těžby uhlí a jeho dodání na trh. Samozřejmostí je neustálý vývoj nových technologií a řešení, která jsou zaměřená speciálně na tak náročné podmínky, jež s sebou těžba uhlí přináší. Je potřeba vzít v úvahu prašné prostředí, vibrace a kolísání teplot. Za zmínku jistě stojí zcela unikátní princip řízení spínání prvků střídače měničů frekvence DTC – přímé řízení momentu (Direct Torque Control), které se s výhodou uplatňuje jak v hlubinných dolech na těžních strojích (předností je maximální moment i při nulových otáčkách), tak na pohonech ventilátorů, čerpadel, dopravníků, drtičů, zakladačů a rýpadel v povrchových dolech a v ostatních aplikacích v těžkém průmyslu.

Porovnáváme-li principy řízení měničů frekvence, mluvíme o třech možných způsobech řízení. Jedná se o řízení skalární, vektorové a přímé řízení momentu (DTC). Jádrem systému DTC jsou hysterezní regulátory momentu a magnetického toku, které využívají optimalizovanou spínací logiku, čímž odpadá prvek modulátoru s pevnou spínací frekvencí. Vysoká kvalita řízení je předurčena tím, že každý regulační cyklus trvá pouze 25 mikrosekund. Díky uvedeným vlastnostem DTC nabízí extrémně rychlou momentovou odezvu (pod 2 ms) a velmi rychlou reverzaci. Moment vykazuje značnou linearitu v celém rozsahu otáček včetně nulových. Přesnost otáček je velmi dobrá v celém otáčkovém rozsahu, a to i bez nutnosti použít zpětnovazební čidlo otáček.

Navíc při použití čidla otáček se pak pohon rovná pohonu stejnosměrnému (statická chyba otáček je 0,01 %) a splňuje tak nejvyšší požadavky jak na dynamiku, tak na přesnost. Dalšími přednostmi DTC je možnost překlenutí krátkodobých výpadků napájecího napětí, letmý start, potlačení momentových rázů, snížení hladiny hluku, optimalizace magnetického toku motoru, brzdění tokem. Hlavně však je maximální moment k dispozici i v nulových otáčkách. Použitím měničů frekvence, jak na hlavní pohony pásu, tak na napínání pásu, se v povrchových dolech významně zkracuje doba rozběhu systému pásů, snižuje se opotřebení pásů a kapacita se zvyšuje až o 50 %.

Ostřik okují

Výsledná jakost pozinkovaného plechu je dána i kvalitou vstupního polotovaru – hlubokotažného ocelového plechu, jehož jakost ovlivňují zase předcházející výrobní operace. Jednou z nich je válcování plechu za tepla na válcovací trati. Na začátek válcovací trati v „teplé válcovně“ se položí na cca. 1 000 °C v peci rozžhavená brama. Rozžhavená brama se přetváří (ztenčuje a protahuje) na výslednou tloušťku postupným průchodem válcovacími stolicemi. Před každou válcovací stolicí musí být povrch rozvalku z obou stran očištěn tak, aby okuje vznikající na povrchu rozžhavené oceli nebyly zaválcovávány do materiálu. Toto očištění se provádí v tzv. ostřikových boxech umístěných v těsné blízkosti před válcovacími stolicemi.

Jak už název boxu napovídá, jde o odstraňování okují stříkáním paprsků tlakové vody z řady cca 20 až 24 vedle sebe umístěných speciálních trysek na horní i dolní plochu pohybujícího se rozvalku. Na konci trati je pak do svitku stočený plech. Ten se pak zpracovává ve „studené válcovně“ a následně v pozinkovně. Technicky průkopnickým řešením bylo nahrazení vysokotlakých větrníků (propojených s výtlačným potrubím z čerpací stanice) otáčkově regulovaným pohonem čerpadel pro udržení konstantního tlaku vody při různých průtocích. Uživatelé oceňují zejména vysokou dynamiku celého pohonu.

Naděžda Pavelková je produktová a marketingová manažerka společnosti ABB s. r. o. Kontaktovat ji můžete na e-mailové adrese nadezda. pavelkova@cz.abb.com.

Autor: Naděžda Pavelková, ABB s. r. o.