Optimalizace výrobních procesů

Přitom hraje významnou roli technika elektrických pohonů. Chtěli bychom se na ceme se na tomto místě krátce zaměřit na Ooptimální konstrukcei a správnou volbu frekvenčního měniče a přispět tím, pokud se právě rozhodujete, zda tento komponent využijete, ke  ježcož volba pohonu může drasticky snížitení nákladů nay  životního cyklus zařízení, kteréjež jsou tvořeny nejenom náklady pořizovacími, ale také provozními náklady.

Jako pro každý hospodárný proces, i pro použití frekvenčně otáčkově řízených pohonů platí následující zásady: musí se jednat o provozně hospodárný a smysluplný proces. Přitom musí provozovatel vzít do úvahy realistické ocenění hospodárnosti, nikoliv pouze pořizovací náklady, které podle nejnovějších výzkumů činí asi 10 % celkových nákladů na cyklus životnosti stroje. Na výši celkových nákladů se nejvíce podílejí provozní náklady (obr. 1), např. spotřeba energie, údržba a servis..  

A právě pro velké pohony nebo větší množství menších pohonů v centrální rozvodně nejsou pořizovací náklady klimatizace, síťových tlumivek a filtrů právě zanedbatelné. K tomu se ještě přidávají energetické náklady na dostatečnou klimatizaci těchto prostor.

Dalším důležitým hlediskem je napájecí síť, kterou má provozovatel k dispozici. Je stávající síť schopna vydržet zatížení spojené s připojením dalších měničů kmitočtu? Jsou k dispozici data pro výpočet nebo výsledky měření zatížení sítě? Pokud je tomu tak, je třeba věnovat pozornost opatřením, která jsou uvedena v následujícím pořadí jako úkoly xx.

Optimální dimenzování - od O- od stroje k síti

Optimální dimenzování zásadně směřuje od stroje k síti. Přitom jsou důležité přesné znalosti procesu a možných rizik a rezervy, které jsou z hlediska provozu k dispozici. Jen tak se může uživatel vyvarovat zbytečného předimenzování celkového pohonu na základě „dostatečných" rezerv v různých stupních systému. Každé zbytečné předimenzování se totiž nepříznivě projeví ve níže uvedených výpočtech hospodárnosti. V praxi k tomuto jevu dochází často v důsledku nedostatečné komunikace mezi projektanty elektrické a mechanické části zařízení. V mnoha případech jsou zvýšené náklady způsobeny volbou příliš velkého motoru. Na tomto místě je rovněž důležitá spolupráce provozovatele a projektanta zařízení. Jenom provozovatel totiž zná své skutečné potřeby.       

Z technického a provozního hlediska patří například znalost rozptylu charakteristik pracovního stroje a motoru k nejdůležitějším výchozím faktorům. V extrémním případě (horní svazek charakteristik stroje a dolní motoru, popř. naopak) může dojít k vytvoření nedostatečného točivého momentu nebo k přetížení soustavy.

Výběr motoru pro provoz s měničem kmitočtu

Pro správnou volbu motoru je rozhodující točivý moment, který potřebuje stroj pro svou funkci. Z tohoto důvodu se k výkonu potřebného pro provádění procesu připočítají veškeré přídavky, jako např. tření v ložiskách, ztráty ve spojkách nebo příkon vnějších ventilátorů, a tím se dosáhne požadovaného točivého momentu motoru pro dané provozní otáčky. Důležitý je rovněž následující fakt: v závislosti na způsobu použití a druhu stroje musí uživatel vzít v úvahu rovněž špičkový a rozběhový moment a podle nich dimenzovat systém. Pomocí charakteristik točivého momentu a otáček při využití charakteristiky motoru a proudové rezervy měniče kmitočtu, což odpovídá odolnosti vůči přetížení, lze zjistit přesná spotřeba, ke které se připočte bezpečnostní rezerva.

Provoz pouze na síť a provoz s měničem kmitočtu se navzájem liší. Vliv měniče kmitočtu závisí na požadovaném rozmezí otáček, použití cizích ventilátorů a druhu zatížení. Provoz s měničem kmitočtu například zvyšuje teplotu ve vinutí motoru, která je způsobena nesinusovým napájením, jakož i pracovní frekvencí a s tím spojenými dodatečnými demagnetizačními ztrátami. V mnoha případech se vyplatí používat cenově příznivé cizí ventilátory, aby se zabránilo používání silnějšího motoru. V každém případě představuje potřebný moment otáčení zásadní veličinu pro volbu velikosti motoru.

Průřez přívodního kabelu k motoru závisí v prvé řadě na proudu odebíraném motorem. Kromě toho vstupují do hry i další důležité faktory. Na průřez kabelu působí i vlivy okolního pracovního prostředí, neboť v důsledku zvýšené okolní teploty a nedostatečného odvodu tepla je nutno tento průřez zvětšit. Na průřez kabelu má také vliv jeho délka, neboť je třeba udržet co možno nejmenší úbytek napětí na přívodním vedení. K zohlednění těchto vlivů je možno použít příslušné redukční faktory, které jsou obsahem normy DIN VDE 0298. V praxi se celkové redukční faktory pohybují v rozmezí 0,7 až 0,64. Při dimenzování kabelů se uvažují proud a napětí sinusového průběhu. Při provozu měničů kmitočtu se k základnímu sinusovému průběhu přičítají ještě vysokofrekvenční složky. Kabely se tím pádem intenzivněji zahřívají.

Mezní hodnoty elektromagnetické slučitelnosti (EMC) určují v konečném důsledku, zda se použijí stíněné či nestíněné kabely. V případě velkých průřezů a/nebo dlouhého vedení se uživatel pochopitelně snaží pokud možno použít nestíněné kabely. K tomuto účelu se v praxi osvědčily sinusové filtry. Filtrací pracovní frekvence a úpravy sdruženého sinusového napětí se dosáhne příznivého účinku z hlediska průřezu kabelů. U opakovaných projektů lze použít stávající kabeláž i motory.

Jak zvolit správný typDimenzování měničeů kmitočtu

Nyní je třeba určit všechny rámcové podmínky pro výběr měniče kmitočtu. Na rozdíl od motoru, který se musí dimenzovat podle požadovaného točivého momentu, probíhá výběr měniče kmitočtu vždy podle proudu, nikoliv podle výkonu. V zásadě platí, že požadovaný proud motoru musí být k dispozici jako trvalý proud. Kromě toho je nutné započítat i nezbytné proudové rezervy. Ty rovněž závisejí na řadě faktorů. K nim v prvé řadě patří průběh točivého momentu zátěže. V zásadě lze uvažovat dva základní typy zátěže - s konstantním zatěžovacím momentem (dopravníky, jeřáby apod.) a s kvadratickým průběhem momentu (čerpadla, ventilátory apod.). Přitom platí, že je do úvahy nutno vzít i rozběhový moment a vlastnosti zátěže, tj. její impulzní nebo lineární průběh.

Také délka přívodů k motoru zde hraje svou roli. Napěťový úbytek na kabelu, stejně jako na případném sinusovém či du/dt filtru, snižuje dosažitelný točivý moment motoru.

Mezi další faktory, které musí vzít uživatel pro svoji aplikaci v úvahu, patří nezbytná rozhraní (obr. 2), např. polní komunikační sběrnice, rychlost regulační odezvy či další speciální funkce, jako např.i bezpečnostní funkce, chladicí rozvody apod. Do těchto kritérií se rovněž započítává provoz s brzdou nebo čtyřkvadrantový provoz. Všechny tyto vlivy je třeba hodnotit separátně, neboť mají podstatný vliv na výběr vhodného měniče kmitočtu.

Regulace otáček čerpadel s kvadratickým průběhem zatěžovacího momentu

Čerpadla a ventilátory jsou vynikající objekty k docílení energetických úspor. Právě u ventilátorů a rotačních čerpadel, tj. u průtočných strojů s kvadratickou zatěžovací charakteristikou, klesá spotřeba energie s třetí mocninou otáček.

Jedno z rozšířených řešení spočívá v tom, že se tyto stroje s kvadratickou zatěžovací charakteristikou vybaví moderními měniči kmitočtu, čímž se jejich otáčky optimálně přizpůsobí aktuálnímu výkonu (obr. 3). Je tomu tak proto, že ve většině případů jsou čerpadla a ventilátory technického zařízení budov dimenzovány na „nejhorší případ", což např. u klimatizací znamená na nejteplejší den v roce, ve kterém pak musí pracovat na plný výkon. V celém zbývajícím období pak pracují logicky jen v režimu částečného zatížení. Toto platí analogicky i pro tlaková zařízení ve výškových budovách.

A právě v tomto případě vstupují do hry měniče kmitočtu. K tomu se přidává i skutečnost, že pořizovací cena měničů stále klesá, což činí tato opatření ještě atraktivnějšími. Ale pozor: ne všechna čerpadla a ventilátory jsou vhodné pro regulaci otáček.

Regulace otáček jako úsporný faktor

Abychom se při regulaci otáček čerpadel a ventilátorů nedočkali nepříjemných překvapení, měl by provozovatel ve fázi projektu dbát na to, aby se změnou otáček nedošlo ke změně polohy pracovního bodu a tím pádem i účinnosti průtočného stroje. K eliminaci nehospodárných a kontraproduktivních opatření je proto nezbytné zvážit všechny aspekty jak z technického, tak také z komerčního a logistického hlediska. Aby zůstaly náklady a účinnost související se zavedením čerpadel a ventilátorů s regulací otáček v rovnováze, měl by se uživatel při výběru měniče kmitočtu řídit nejenom nejpříznivější cenou, ale také jinými faktory, jakými jsou hospodárnost a spolehlivost provozu během celé životnosti zařízení.

Zatížení sítě - možná opatření je třeba předem zvážit

Nevýhodou měničů je jejich zpětné působení na napájecí elektrorozvodnou síť vlivem nelineárního průběhu proudového odběru. Důsledkem toho je zkreslení sinusového průběhu síťového napětí, které se označuje jako zpětné působení na síť nebo také vyšší harmonické. Pro posouzení kvality sítě se uvažují kmitočty do 2,5 kHz, neboť tato hodnota představuje 50. harmonický násobek základního kmitočtu sítě 50 Hz.

Přenosová síť, transformátory či také kompenzační ústrojí musí být kalkulovány a dimenzovány na jmenovitý kmitočet sítě. Vysokofrekvenční kmity vedou k vyšším provozním nákladům na elektrickou energii, vyvolávají zvýšené náklady v důsledku zatížení jalovým výkonem a nutnosti předimenzování součástí a dílů zařízení, přitom dále zatěžují kabely, vedení a přístroje. Z tohoto hlediska je nutno vzít v úvahu i zatížení sítě z hlediska optimálně dimenzovaného zařízení.

Zatížení sítě se stanoví výpočtem nebo měřením ve stávající síti. Pokud vyjdou přijatelné hodnoty, nemusí provozovatel přijímat další opatření. Rovněž je možno stanovit budoucí zatížení sítě pomocí simulačního programu, čímž se vyloučí nepříjemná překvapení v budoucnu. Vhodná opatření budou představena v dalším příspěvku.

Optimální konstrukce měniče kmitočtu usnadňuje údržbu a servis

Při výběru výrobce a vhodného typu je nutné zaměřit se nejen na výkonová data, ale i na možnost servisu. Vedle pořizovacích nákladů totiž tvoří provozní náklady rozhodující položku během životního cyklu výrobku. V zájmu uživatele tudíž je, aby intervaly mezi údržbou byly co nejdelší a nezbytná odstávka zařízení co nejkratší.

Značný vliv na tuto skutečnost mají použité součásti, které musí v měniči kmitočtu spolehlivě a dlouho fungovat. Vedle výkonové elektroniky hrají svoji roli i pomocné agregáty, např. ventilátory. Jsou známy všechny díly, které vyžadují údržbu? Jak dlouhé jsou intervaly mezi prováděním údržby? Jsou všechny součásti snadno dostupné a dají se vyměnit bez speciálního nářadí?

Pár  otázek, které je třeba si při Bezúdržbová konstrukce zaručuje krátké intervaly odstánákupu frekvenčního měniče položit:

Jsou měniče konstruovány tak, aby byly hlavní konstrukční skupiny snadno a bez nutnosti rozsáhlé demontáže přístrojů přístupné a vyměnitelné?

Jsou řídicí, síťová a motorová vedení opatřena rozpojitelnými konektory?

Lze přídavné moduly snadno vyjmout a je možné naopak výměnný přístroj snadno vsadit zpět?

V případě závady všechna tato opatření urychlují výměnu a zkracují dobu odstávky. Pro udržování zásoby náhradních dílů hraje svoji roli právě variabilita dané přístrojové řady. Podle místa použití daného zařízení se může stát, že pokud možno speciální díly se musí nákladnou cestou teprve dopravit na místo použití. Je proto třeba dávat přednost těm konstrukčním dílům, které jsou snadno a levně dosažitelné po celém světě. Uživatel tak může značně snížit svoji zásobu náhradních dílů a tím i s tím spojené náklady.

Závěrem

Při volbě optimálního řešení s maximální energetickou účinností musí uživatel v každém případě vyhodnotit, jaké jsou výhody a nevýhody příslušného technického řešení. Přitom je třeba si uvědomit, že se stoupající kvalitou technického řešení stoupá většinou i cena. Protože v dnešní době je pro uživatele téměř nemožné znát všechna technická zařízení do nejmenších detailů, a rovněž vzhledem ke vzrůstající složitosti a souhry všech součástí, je veskrze nezbytné si přizvat si na konzultaci odborníky a objasnit si s nimi všechny technické výhody a nevýhody.

Popisky k obrázkům: Jenom u pohonů čerpadel mohou uživatelé za rok ušetřit cca 15 miliard kWh nebo 1,2 miliardy EUR. To je dáno tím, že otáčky přesně přizpůsobené skutečné potřebě umožňují enormní úsporu energie. Pokud by otáčky jednoho čerpadla klesly v průměru jen o 20 %, klesne spotřeba elektrické energie o 50 %.

Ing. Josef Konečný

Josef.Konecny@danfoss.com

Danfoss