Aktuální vydání

celé číslo

06

2018

Systémy strojového vidění

Výrobní a montážní linky

celé číslo

Flexibilní měniče frekvence pro pohonné uzly strojů a zařízení

číslo 4/2002

Flexibilní měniče frekvence pro pohonné uzly strojů a zařízení

V pohonech pro zařízení s proměnnými otáčkami se dnes používají téměř výhradně měniče frekvence, které se mohou pružně přizpůsobit požadavkům výroby. Často se jimi nahrazují dosavadní mechanicky nastavované převody. Článek souhrnně uvádí výhody, které vnášejí moderní měniče frekvence s převodovkovými motory do techniky pro manipulaci materiálem a které se netýkají jen regulace otáček v zařízení.

Obr. 1.

Žádá se rychlá změna výroby

K zachování šancí v globální konkurenci na začátku nového tisíciletí je v každém ohledu nezbytná flexibilita výrobního procesu. Jen tak je možné rychle reagovat na průběžně se měnící požadavky zákazníků a zmenšující se výrobní dávky.

V současné době se celý systém určitého zařízení dělí do přehledných subsystémů. Tyto subsystémy mohu být samostatnými decentralizovanými komponentami, ze kterých se podle požadavků sestavují větší zařízení. K takovým komponentám se počítají také pohony v podobě uzlů (obr. 1) dodávaných podnikatelskou skupinou Lenze, s hlavním sídlem v Aerzenu u Hamelnu. V současnosti se takové uzly s oblibou označují jako mechatronické pohonné systémy. Pohonný uzel se standardně skládá z motoru s integrovanou převodovkou a z měniče frekvence přímo namontovaného na motor. Měnič lze – je-li to nutné – namontovat také dosud běžným způsobem do rozváděče. Motor je technicky přizpůsoben měniči a pro zjednodušení uvádění do provozu jsou v měniči předem uložena potřebná data motoru. Pro takto uspořádaný hnací uzel s proměnnými otáčkami jsou charakteristické:

  • Decentralizovaná inteligence: motor i řídicí elektronika jsou instalovány přímo na mechanickém zařízení v místě jejich využití. Je tudíž možné minimalizovat rozměry rozváděčových skříní a měnič frekvence je snadno přístupný.

  • Automatizace v síti: připojením měničů frekvence k nadřízenému systému, např. programovatelnému automatu (Programmable Logic Controller – PLC) prostřednictvím sběrnice, je možné dosáhnout integrovaného provedení celého řídicího systému.

  • Otevřený stavebnicový systém jako řešení usnadňující volbu specifických součástí aplikace: stačí koupit jen to, co je skutečně nutné a tak odstranit zbytečné výdaje na nepotřebné funkce a vlastnosti.

  • Soulad s normami: péčí výrobce jsou splněny požadavky mezinárodních i národních norem, jako americké a kanadské normy UL, popř. cUL, i německých a evropských norem a směrnic podle CE, VDE, DIN, EN a GL.

Mechanické nastavované pohony se používají i v současnosti

I v současné době se ještě mnoho úloh v technice pohonů řeší s použitím mechanických převodovek, ke kterým je připojen motor s měničem frekvence. Co se týče převodovek s proměnným převodem, používají se běžně známé principy řemenových anebo planetových nastavitelných převodovek, které jsou již ověřené a po léta úspěšně využívané. Robustní a mnohostranně použitelné jsou např. řemenové nastavitelné převodovky značky Simplabelt firmy Lenze. Jejich jádrem jsou bezúdržbové polygonální nastavitelné kotouče. S jemně odstupňovanými otáčkami pokrývají rozsah výkonů od 0,25 do 45 kW. Rozsah nastavení je asi 1 : 8, podle velikostí.

Robustní a mnohostranně použitelné jsou i nastavitelné planetové převodovky Disco. Převod lze nastavovat plynule v rozsahu od 1 : 1 po 1 : 6. Planetový princip zajišťuje optimální dělení výkonu, takže i při malých rozměrech je možné přinášet velké výkony.

Oba tyto značně rozšířené mechanické způsoby změny otáček nacházejí široké pole použití především v dopravní technice. Často se otáčky těchto pohonů nastavují jen při seřizování nebo při změně výrobku pouze jednou. Tato optimalizace se provádí na dálku nebo přímo na objektu v místě. Častěji jsou otáčky u takových zařízení měněny jen velmi zřídka.

Obr. 2.

Pohony řízené měničem frekvence jsou výhodnější

Když se nehledí na ztráty, pracují oba zmíněné mechanické proměnné převody principiálně s konstantním výkonem v celém pracovním rozsahu. Tím vznikají při malých otáčkách velké a při velkých otáčkách malé krouticí momenty. Charakteristika pohonu má hyperbolický průběh. Takové chování ale není vždy žádoucí. Pohony řízené měničem frekvence (obr. 2) mohou oproti tomu poskytovat až do určitých mezních otáček konstantní krouticí moment při rostoucím výkonu. Při dalším růstu otáček navazuje oblast konstantního výkonu a průběh závislosti otáček na točivém momentu od mezního bodu je stejně jako charakteristika mechanických převodů hyperbolický.

Možností k použití motorů s převodovkami řízených měničem frekvence je v našem současném technizovaném a automatizovaném světě nesčetně. Základem úspěchu jsou nyní unifikovaná konstrukce, jednoduché uspořádání a široké možnosti kombinací motorů a převodovek. Účelná kombinace obou prvků, motoru s převodovkou a měniče frekvence, a zejména využití nastavitelného mezního bodu umožňují uskutečňovat specifická řešení k hospodárné realizaci různých pohonářských úloh. V oboru techniky pro manipulaci s materiálem jsou pro aplikaci vhodné např. textilní stroje, pásové dopravníky anebo balicí stroje.

Pohony řízené měničem frekvence budou v budoucnosti používány téměř ve všech oblastech průmyslové výroby, v dopravě i jako součást technického vybavení budov. Zde všude se uplatňují jejich výhodné vlastnosti, mezi něž patří:

  • robustnost,
  • kompaktnost,
  • spolehlivost,
  • možnost zapojení do sítě,
  • provozní pružnost,
  • nízké náklady.

Současné měniče frekvence jsou zárukou nejvyšších kvalit pohonu. Při výkonech do 11 kW to často jsou malé měniče s integrovanou regulací orientovanou na decentralizované řízení (obr. 2). Takové uspořádání regulace poskytuje pohonu s měničem frekvence takové chování ohledně krouticího momentu a otáček, jaké bylo dosud známo především u servopřevodů.

Dosavadní technika měničů frekvence byla založena na známém řízení podle charakteristiky U/f. Opravdu konstantních otáček a velké tuhosti pokud jde o krouticí moment mohl dosud uživatel dosáhnout jen se systémy se zpětnou vazbou. K dosažení očekávaných výsledků bylo nutné opatřit hřídel motoru snímačem otáček. Moderní decentralizované regulační obvody v měničích frekvence se oproti tomu obejdou bez snímačů. Toto je základ, na kterém nyní dochází k decentralizovanému používání současných měničů frekvence jako moderní součásti technických zařízení.

Decentralizovaná montáž a integrované funkce

Měnič frekvence, který řídí pohon, je nyní schopen pomocí svých integrovaných funkcí, tedy svou „inteligencí“, vykonat všechny potřebné úkoly. Jeho „inteligence“ se neprojevuje jen pokud jde o průběh krouticího momentu, ale také možnostmi řízení. Ty jsou v současnosti v podstatě důležitější, protože dobré chování ohledně krouticího momentu je již pokládáno za samozřejmé. Tak je např. možné využít digitální vstupy a výstupy měniče k decentralizovanému spouštění regulačních úloh. Při použití několika měničů je jejich vzájemná přímá komunikace často možná po sběrnicovém systému. Řídicí systém se tedy zpravidla nemusí zabývat věcmi, které mohou probíhat decen-tralizovaně v místě instalace pohonu. Jako příklad lze zmínit aplikaci v dopravní technice, popř. dále popsanou aplikaci v textilním stroji.

Příklad použití v textilním stroji

V textilním stroji platí, že textil je třeba přivést rychle a jednoduše ke zpracování v určitému uzlu. Příchozí materiál je veden přes dělicí zařízení na různá pracoviště. Prameny získané rozdělením hlavního pásu se navíjejí odlišnou a značně proměnnou rychlostí podle toho, jaký objem materiálu se právě dopravuje. Rychlosti mohou být regulovány kaskádním způsobem v softwaru měniče. V  kaskádě se rychlosti jednotlivých pohybů přizpůsobují rychlosti hlavního pohybu. Buď jsou všechny pohyby vykonávány stejnou rychlostí, nebo se rychlosti nastavují v určitém vzájemném poměru.

Váží-li se množství materiálu analogově, nastavení následujících pramenů se často řídí také analogově. K tomu je možné použít hodnotu řídícího napětí nebo předem nastavené pevné frekvence v měniči frekvence.

Jestliže se data odečítají digitálně a např. se dále přenášejí po sběrnici CAN, je možné všechna data zpracovat decentralizovaně ve „skupině měničů“. Všechny měniče frekvence jsou trvale informovány o požadavcích a pohony běží otáčkami stanovenými podle množství materiálu. Data pro měniče frekvence může zpracovávat řídicí modul Drive PLC od firmy Lenze. Tento automatizační prvek má také systémovou sběrnici (protokol CANopen), což z něj vytváří dokonalý decentralizovaný doplněk pohonu s měničem frekvence.

Jako úkol pro nadřazený řídicí systém zůstává jen funkce správy v rámci celého zařízení, bez zatížení úlohami řízení jednotlivých pohonů. Odtud jsou nyní spravovány jen příkazy ke spuštění a zastavení a současně diag-nostická data celého zařízení. Takový úplný systém představuje z hlediska uživatele hospodárné a snadno rozšířitelné zařízení.

Závěr

Měniče frekvence a motory s integrovanými převodovkami jsou především v dopravní technice kombinací, která se v mnoha aplikacích stala současným standardem. Samotná tato kombinace však uživateli nenabízí všechno, co je zapotřebí. Má-li být pohon správně doladěn podle požadavků hnaného zařízení, je třeba využít také možnosti propojení motorů s převodovkami ve stojanu stroje. Při použití výrobků firmy Lenze nejsou řídicí systémy zbytečně zatěžovány vedlejšími úkoly. Tím se automatizační technika decentralizuje a stává se především hospodárnější.

Peter F. Brosch, Lenze GmbH

Lenze s. r. o.
Central Trade Park D1
396 01 Humpolec
e-mail: lenze@lenze.cz
http://www.lenze.com

Inzerce zpět