Ďalšia revolúcia v ovládaní motorov

-- 12.04.18

Neustále zameranie na zvýšenie energetickej účinnosti a udržateľnosti ostáva hlavnou hnacou silou pri inovácii v odvetviach strojárstva a elektrotechniky. Zdokonalená regulácia rýchlosti otáčok pomocou pohonov s premenlivou rýchlosťou otáčok (VSD) priniesla výrazné úspory energie, ale ďalší krok musí byť oveľa odvážnejší - zavedenie siete jednosmerného prúdu v priemyselných priestoroch má potenciál znížiť prevádzkové náklady a využiť obnoviteľné zdroje energie.

Združenie nemeckých výrobcov elektrotechniky a elektroniky [Zentralverband Elektrotechnik und Elektronikindustie (ZVEI)] iniciovalo výskumný projekt DC-INDUSTRIE spolu s 21 priemyselnými spoločnosťami a štyrmi výskumnými ústavmi. Spoločne pracujú na projekte zavedenia zmeny energie v priemyselnej výrobe a tým priniesť väčšiu energetickú účinnosť a energetickú flexibilitu do priemyselnej výroby.

Medzi zainteresované subjekty patrí spoločnosť Bauer Gear Motor, ktorá je súčasťou spoločnosti Altra Industrial Motion Corporation a riaditeľ spoločnosti Bauer Karl-Peter Simon, ktorý má vedúcu úlohu vo výskume.

Karl-Peter Simon: "Tento výskumný projekt má potenciál ťažiť z veľkého množstva výrobných odvetví, pričom jedna veľká automobilová spoločnosť už plánuje zaviesť niektoré odporúčania v novom testovacom zariadení. Spoločnosť Bauer chce využívať svoje odborné znalosti, aby pomohla dosiahnuť túto inovatívnu víziu a aby výrazne prispela k zlepšeniu energetickej efektívnosti."

V priemyselnom sektore predstavujú elektrické motory približne 70% spotreby elektrickej energie a sú teda najvýznamnejšou záťažou elektrickej energie. Zníženie energetických požiadaviek týchto pohonných systémov zvýšením ich účinnosti prispieva k ekvivalentnému zníženiu emisií CO2.

Od 1. januára 2017 sa všetky nové trojfázové motory predávané v Európe s menovitým výkonom od 0,75 do 375 kW musia zhodovať s triedou energetickej účinnosti IE3 alebo alternatívne IE2, pre použitie v prevádzke frekvenčného meniča. Tieto triedy účinnosti sú špecifikované pre trojfázové asynchrónne motory pracujúce pri nominálnych otáčkach a menovitom krútiacom momente. Skúsenosti však ukázali, že regulácia energetickej účinnosti komponentu môže v určitých prevádzkových režimoch udržateľne znížiť energiu.

S ohľadom na túto skutočnosť je cieľom projektu DC-INDUSTRIE, prostredníctvom sietí s jednosmerným prúdom, podporovať jednak energetický prechod a energetickú účinnosť, ako aj Priemysel 4.0. Tento projekt sponzoruje Federálne ministerstvo hospodárstva a energetiky (Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)) a má trojročné obdobie.

Nedostatky v riadení rýchlosti otáčok

Výhodou použitia frekvenčného meniča je nepretržité prispôsobenie rýchlosti otáčok motora skutočnej potrebe, ktorá môže veľmi často viesť aj k úsporám energie. Frekvenčný menič je napájaný striedavým prúdom, ktorý sa pomocou usmerňovača najskôr prevedie na jednosmerný prúd. Jednosmerný prúd sa potom prevedie na striedavý prúd s premenlivou frekvenciou a napätím prostredníctvom meniča napájacieho napätia, aby sa elektronicky menila rýchlosť trojfázového motora.

Ak však trojfázový motor pracuje v brzdnom režime, napr. v žeriave, ktorý je v režime spúšťania, tok energie sa mení. Ale touto energiou nemôže byť frekvenčným meničom spätne napájaná sieť, pretože vstupný usmerňovač umožňuje len tok energie jedným smerom. Preto sa energia, ktorá sa privádza späť, musí rozptýliť cez obvod napätia jednosmerného prúdu frekvenčného meniča.

Na tento účel je k pomocnému obvodu pripojený brzdový prerušovač. Tento sleduje napätie pomocného obvodu vzhľadom na úroveň napätia. Ak napätie pomocného obvodu prekročí nastavenú prahovú hodnotu, brzdný prerušovač prepne brzdný odpor medzi kladný a záporný pólom pomocného obvodu. Toto je zvyčajne prídavný externý brzdný odpor, ktorý premieňa brzdnú energiu na tepelnú energiu.

Znižovanie problematiky harmonických

Narastajúce používanie frekvenčných meničov na reguláciu otáčok motora viedlo k problémom s účinkami na sieť, ktoré spôsobovali harmonické a ktoré narušovali napätie. Neexistuje žiadne štandardné riešenie pre harmonické, pretože každá sieť a jej elektrická záťaž sú veľmi odlišné. Nakoniec je prevádzkovateľ zodpovedný za kvalitu napätia jeho vlastných výrobných zariadení. Ak počet inštalácií frekvenčných meničov alebo iných zariadení s výkonovou elektronikou čoraz viac narastá, efekty siete sa zvyšujú.

Predložené výzvy ukazujú, že ďalší nárast používania meničov na flexibilné ovládanie elektromotorov je žiaduce a veľmi často dokonca nevyhnutné. To je jediný spôsob, ako zlepšiť výrobné postupy a energetickú účinnosť. Avšak narušenie linky v dôsledku harmonických a nákladov na zariadenie obmedzuje tento nárast.

Aby sa dosiahol významný pokrok v oblasti energetickej účinnosti a optimalizácie systémových nákladov, sú potrebné nové prístupy. Aby sa zabezpečila energetická účinnosť, prechod energie a Priemyslu 4.0, sú potrebné nové štruktúry rozvodnej siete.

Vytváranie riešenia

Nová štruktúra siete je založená na dodávke striedavého prúdu, ktorá zabezpečuje napájanie výrobných zariadení jednosmerným prúdom prostredníctvom centrálneho usmerňovača. Aktívne filtre rozvodnej siete sú integrované do centrálneho usmerňovača, aby sa zabezpečila kvalita napätia vzhľadom na požiadavky na harmonické.

Priame napájanie frekvenčného meniča jednosmerným prúdom znamená, že celá decentralizovaná konverzia energie už nie je potrebná. Pretože centrálna konverzia energie (zo striedavého prúdu (AC) na jednosmerný prúd (DC)) je výrazne účinnejšia, straty konverzie sa výrazne znížia.

Prostredníctvom priameho napájania všetkých elektromotorov prostredníctvom frekvenčného meniča jednosmerným prúdom, sú všetky inštalované motory pripojené cez spoločnú rozvodnú sieť s jednosmerným prúdom. Navyše, elektrická sieť s jednosmerným prúdom v podstate spôsobuje iba ohmické prenosové straty. V porovnaní s elektrickou sieťou so striedavým napätím sa eliminujú kapacitné a indukčné straty vedenia.

Okrem toho centrálna elektrická sieť s jednosmerným prúdom ponúka možnosť integrácie fotovoltaiky priamo na úroveň napätia jednosmerného prúdu. V tomto prípade sa tiež požadovaná konverzia z jednosmerného prúdu (DC) na striedavý prúd (AC) nemusí robiť meničom. Táto infraštruktúra rozvodnej siete ponúka možnosť optimalizácie nákupu energie a stabilizácie rozvodnej siete.

Prostredníctvom eliminácie vstupného usmerňovača a filtra rozvodnej siete frekvenčnými meničmi, sa tieto môžu navrhovať efektívnejšie, čo sa týka nákladov, a kompaktnejšie. To zjednodušuje integráciu do motora, čo môže výrazne zvýšiť stupeň akceptovania. Motory s premenlivými otáčkami umožňujú zníženie variantov a úspory energie. Poskytujú stavové signály od všetkých pohonov, ktoré sú napájané jednosmerným prúdom (DC), ktoré majú veľký význam pre flexibilnú a bezpečnú kontrolu výroby.

Riadenie rozvodnej siete umožňuje optimalizovať riadenie prevádzky z hľadiska nákladov na energiu. Dostupné informácie umožňujú preventívne opatrenia ohľadne kontroly výroby, aby sa výrazne zvýšila dostupnosť výroby. Toto je predpoklad úspešnej implementácie Priemyslu 4.0.