Přichází obrození spínaných reluktančních motorů a pohonů?

-- 30.05.10 13:42

Díky pokroku v oblasti řídicích prvků a simulačního softwaru zůstávají spínané reluktanční (SR) motory – jeden z nejstarších typů elektromotorů – konkurenceschopné. Spínané reluktanční systémy přinášejí efektivní výkon v jednoduchém, odolném provedení bez permanentních magnetů (PM).

Už  samotné počty indukčních a bezkartáčových elektromotorů s permanentními magnety nasazených v průmyslových a komerčních aplikacích jsou důkazem jejich dobře zavedené výrobní infrastruktury a oblíbenosti mezi uživateli. To bylo také příčinou omezení širokého využívání spínaných reluktančních (SR) motorů – technologie, která nabízí alternativu pro nejrůznější náročné aplikace. Motory SR jsou zde již dlouho, ale dostatečná vyspělost řídicích prvků, nezbytná pro využití jejich přínosů, má kratší historii.

Motory SR zaznamenávaly v průběhu času střídavé vlny zájmu a možná jsme právě svědky jejich nového obrození. Technologie SR slibuje úctyhodný soubor přínosů ve srovnání s konkurencí. Patří sem vysoká účinnost v širokém rozsahu otáček (a při částečném zatížení), schopnost vysoké rychlosti (přes 100 000 ot./min s vhodným pohonem), snadné chlazení díky tomu, že jediným zdrojem tepla je stator, odolnost v prostředí s vyššími teplotami nebo vibracemi a relativně jednoduchá mechanická konstrukce.

Proč uvažovat o motoru SR?

Rostoucí zájem o energetickou účinnost nutí výrobce OEM a konečné uživatele uvažovat o alternativách k indukčním motorům, tvrdí společnost Emerson Motor. „Tito zákazníci stále častěji pohlížejí na technologii SR jako na konkurenceschopnou a vysoce účinnou alternativu,“ říká Rob Boteler, ředitel marketingu společnosti Emerson Motor. Motory SR nemohou běžet s přímým napojením na síť (direct-on-line), a proto kompletní SR systém vyžaduje související měnič výkonu (pohon). „S tím, jak stále více aplikací pracuje s proměnlivou rychlostí, je varianta SR motorů, jejichž cena je srovnatelná s ekvivalentními indukčními motory s měniči, použitelná ve stále větším rozsahu aplikací,“ doplňuje.

„V porovnání s konvenčními řešeními s proměnlivou rychlostí přinášejí systémy SR vysokou účinnost v celém rozsahu zatížení,“ pokračuje Boteler. „Ke značným úsporám energie dochází u aplikací, kde výrazný podíl operací probíhá s částečným zatížením nebo nad či pod jmenovitou rychlostí otáčení.“ „Společnost Emerson Electric si již dlouho uvědomuje důležitost motorů SR a v rámci své divize SR Drives (dříve společnost SR Drives z Velké Británie) vyvíjí a aplikuje tuto technologii již přes 20 let,“ vysvětluje Boteler. „Společnost Emerson vychází vstříc současnému obrození poptávky po SR technologii nejrůznějšími typovými řadami určenými pro průmysl a zaměřenými na dva rychlostní režimy: na supersynchronní aplikace (s rychlostmi dalece přesahujícími 3 600 ot./min), jako jsou šroubové kompresory, ventilátory a vysokorychlostní čerpadla, a dále na nízkorychlostní aplikace s vysokým krouticím momentem (vytlačovací lisy, dopravníky a podavače), kde bývalo nasazení motorů SR tradičně zvažováno.“

Společnost Rocky Mountain Technologies (RMT), navrhující a vyrábějící SR motory a pohony již od roku 1994, připomíná vysoké náklady na průmyslový výzkum a vývoj a dobře financovaný vývoj produktů probíhající u specifických aplikací SR technologie. „Na rozdíl od minulého vývoje, který se primárně soustředil na malé jednotky (o výkonu zlomků až jednotek koňských sil), jsme nyní svědky aktivit ve výkonové oblasti 100 kW až 1 MW,“ říká George Holling, technický ředitel společnosti RMT. „Tento velký přesun týkající se velkých SR strojů je nyní realitou.“ Společnost RMT v současnosti projektuje SR stroje se jmenovitým výkonem přes 1 MW. „Motivace uživatelů dívat se na SR jako na alternativu vychází z obav týkajících se cen materiálu magnetu u synchronních motorů s permanentními magnety (PM) a záměru ustupovat od indukčních motorů z důvodu celkové účinnosti a ceny systému,“ podotýká technický ředitel RMT.

Nicméně systémy SR se musí zaměřit na specifické aplikace, aby mohly úspěšně soupeřit s obrovskou instalovanou základnou motorů indukční a bezkartáčové PM technologie. „Infrastruktura, se kterou musíte bojovat, je velice rozsáhlá – získat zpět své investice spojené s přechodem na obecný trh je prostě velmi náročné,“ konstatuje Holling. Zmiňuje jednu novou aplikaci u menších větrných turbín, kde se minimální odpor a rovnoměrný chod SR generátoru o výkonu 7,5 kW (s odpovídajícím řízením proudu) stává výhodou a umožňuje provoz za slabého větru. Účinnost SR generátoru za nízkých rychlostí údajně dosahuje 95,5 % a více.

Pro náročné podmínky

Švédská firma Emotron AB, dlouholetý dodavatel technologie SR, zaznamenává jen malé navýšení poptávky z průmyslové sféry. Společnost Emotron spíše vidí roli SR v OEM produktech určených pro aplikace vyžadující vyšší objemy výroby a větší robustnost. „SR motory a pohony jsou nepřekonatelné ve speciálnějších aplikacích,“ domnívá se Per Zellman, viceprezident produktového marketingu společnosti Emotron. Jednou z nejvýznamnějších aplikací jsou důlní stroje a další zařízení pro náročné podmínky, kde jsou zapotřebí extrémní rychlosti anebo je tolerovatelná hlučnost nekompenzovaných SR motorů. „Hlučnost motorů SR je zmírňována pomocí tlumení a chytrého elektromechanického provedení, ale to s sebou nese vyšší cenu produktu,“ míní Zellman.

SR motory s chladným provozem rovněž umožňují dočasný provoz s vysokým proudem pro špičkový výkon krouticího momentu u náročných aplikací. Společnost Zellman zmiňuje flexibilitu geometrie motoru jako další přínos technologie SR – popisuje verze motoru sahající od protažených válcových jednotek až po ploché kruhové modely. I když je více známá jejich schopnost provozu na vysoké otáčky, Zellman připomíná velice úspěšné použití SR motorů v aplikacích s nízkými otáčkami. Společnost Emotron je uznávanou špičkou na evropském trhu v oblasti rotačních výměníků tepla, pro něž technologie SR poskytuje řešení se jmenovitou rychlostí 400 ot./min, a to bez nutnosti použití převodovky. Provoz za nižší rychlosti je navíc tišší, což je v této aplikaci důležité.

Pohon SR má zásadní význam

Topologie pohonu SR (výkonového měniče) se liší od běžných střídavých pohonů SR uspořádáním obvodů výkonového spínače a nulové diody. Pro menší pohony je použití výkonových modulů cenově výhodným konstrukčním řešením, ale pro technologii SR nejsou komerční moduly dostupné v takové míře jako pro ostatní technologie motorů. Často se používají zakázkové moduly nebo jiná, dražší provedení. „Kdyby byly na trhu k dispozici cenově dostupné výkonové moduly pro pohony, byl by to klíčový krok k větší konkurenceschopnosti SR systémů. Nejvíce jsou touto situací postiženy pohony v oblasti 1–50 kW,“ říká Holling. Jiná situace je u velkých pohonů. „U skutečně velkých pohonů pracujeme s jednotlivými výkonovými zařízeními, nikoli moduly  a cena těchto zařízení je podobná jako u jiných typů pohonů podobné velikosti,“ upřesňuje.

Pohony SR pracují na spínací frekvenci obvykle 10krát nižší než srovnatelné střídavé pohony, protože motory SR běží efektivněji bez potřeby sinusoidního průběhu napětí nebo proudu. To s sebou nese výhody v podobě snížení harmonických ztrát motoru, menšího zahřívání elektroniky, nižšího vysokofrekvenčního rušení a lepší účinnosti systému, uvádí společnost Emerson. George Holling ze společnosti Rocky Mountain Technologies na tuto výhodu SR motorů poukazuje také a upozorňuje na velmi vysokou účinnost získanou s pohony SR s výstupem s nesinusoidními průběhy. „Pro dosažení plynulé rotace se cívky statoru zapínají a vypínají přesně synchronně s úhlovou pozicí rotoru (viz schéma), což znamená, že elektrická frekvence fázových proudů následuje rychlost rotoru a nikoli naopak,“ vysvětluje Boteler.

Pohony SR vyžadují určitý typ zpětné vazby pozice rotoru pro přesné časové přepínání mezi fázemi motoru. Toho lze dosáhnout pomocí jednoduchého převodníku s nízkým rozlišením nebo „bezsenzorovou“ metodou, která odhaduje pozici rotoru podle fázového proudu a napětí. Fázové spínání se stává kritickým u vysokých rychlostí motorů, protože během období náběhového proudu a doznívání dochází k značným změnám rychlosti rotoru. „Je nezbytné to kompenzovat posouváním spínacích úhlů vpřed při zvyšování rychlosti – podobně jako je tomu u podtlakového nastavení předstihu u spalovacího motoru,“ dodává Boteler.

Motor SR není krokový motor

Společnost označuje SR motory jako „samosynchronní“ („self-synchronous“) stroje, jejichž účelem je poskytovat hladké a plynulé otáčení – na rozdíl od na první pohled podobných krokových motorů. Některé jiné zdroje zařazují oba druhy motorů do stejné kategorie. Společnost Emotron potvrzuje, že současné SR motory nejsou krokovými motory, protože proud je průběžně monitorován a řízen ve vztahu k úhlové pozici rotoru. Společnost Emotron má rovněž zkušenosti s bezsenzorovým řízením SR motorů. Zellman uvádí, že bylo nainstalováno více než 20 000 SR systémů s patentovaným řešením IntraSens této firmy pro monitorování polohy rotoru.

Pomocí optimálního řízení spínacích úhlů a proudové kompenzace zajišťované SR pohony lze minimalizovat nerovnoměrný chod a hlučnost nekompenzovaného SR motoru a umožnit tak plynulé otáčení a co nejlepší momentový výkon. „Také mechanická a elektromagnetická konstrukce musí být navržena pro snížení hlučnosti, která může být významným faktorem z hlediska konkurenceschopnosti v běžných aplikacích,“ dodává Holling. „Kombinace správné geometrie motoru a vhodných řídicích prvků zajistí výrazně tišší chod motoru. Jde o systémovou otázku.“ Návrhářské nástroje jsou rovněž nezbytné pro řešení nelineárního vztahu proudu a krouticího momentu spojeného s SR motory.

Holling uvádí software SPEED (vyvinutý na Glasgowské univerzitě ve Skotsku – „Scottish Power Electronics and Electric Drives“ je konsorcium) jakožto cenný návrhářský nástroj pro konstrukci SR motorů u společnosti RMT. U motorů s velkou vzduchovou mezerou (viz níže) společnost RMT využívá metodu analýzy konečných prvků ve spojení s aplikací Matlab-Simulink společnosti Mathworks pro celkovou optimalizaci systému, například při navrhování motorů s rychlostmi nad 50 000 ot./min.

Ekonomika vzduchové mezery

Společnost Rocky Mountain Technologies zdůrazňuje, že klíčem k výrobě ekonomických SR motorů je schopnost vyrobit je s velkou vzduchovou mezerou, což zjednodušuje mechanickou konstrukci a sestavení. „Běžně používáme vzduchové mezery 0,5–1,5 mm pro integrální hp motory a upřednostňujeme 1–1,5 mm,“ uvádí Holling. „Malé vzduchové mezery mohou způsobovat problémy, jako je opotřebení ložisek, nevyváženost krouticího momentu a hlučnost.“ To kontrastuje s mnoha motory navrženými s těsnějšími vzduchovými mezerami, obvykle v rozmezí 0,25–0,5 mm. Holling svůj argument dokládá porovnáním dvou velikostí vzduchových mezer v situaci, kdy je rotor vystaven velkým postranním silám. V případě vzduchové mezery 0,25 mm a vůli rotoru ±0,025 mm bude výsledkem 20% nerovnováha krouticího momentu.

„Potřebujete proto velmi přesné obrobení, montáž a ložiska, což může tyto nerovnováhy krouticího momentu vyrovnávat a stále dosahovat poměrně dobré životnosti. To ale znamená náklady navíc,“ vysvětluje. V případě vzduchové mezery 1 mm a stejné vůle rotoru ±0,025 mm nerovnováha krouticího momentu poklesne na 5 % a problém zmizí. „Nemusíme používat speciální vyztužení, můžeme pracovat s běžnými obráběcími tolerancemi, používat standardní ložiska a motor navíc poběží tišeji,“ dodává Holling. Vzhledem k četným připravovaným vylepšením a iniciativám, jako je uvedení nové typové řady SR zařízení na severoamerický trh společnosti Emerson, je pravděpodobné, že se systémy se spínanou reluktancí dočkají většího rozšíření.

Ce

Frank J. Bartos, P.E., je konzultant časopisu Control Engineering. Kontaktujte jej na adrese braunbart@sbcglobal.net.

Autor: Frank J. Bartos, P.E., Control Engineering