Aktuální vydání

celé číslo

08

2024

Automatizace v potravinářství a farmacii

Měření a regulace průtoku, čerpadla

celé číslo

Řízení různých typů motorů jedním měničem frekvence s optimalizovanou spotřebou energie

Nové typy třífázových motorů lákají při průmyslovém i komerčním použití svou maximální úsporou energie. Důvody – tenčící se zásoby fosilních paliv, klimatické změny, globální oteplování – hovoří pro výrazné snížení spotřeby energií a získávají politický význam. Vedle EU tak i mnoho zemí po celém světě schválilo minimální třídy účinnosti pro různé produkty, mezi které patří i elektromotory v daném rozsahu výkonů. Elektromotory jsou totiž spojovacím článkem mezi dodávkou elektřiny a její spotřebou pro pohon nejrůznějších mechanických zařízení v průmyslu i mimo něj.

 
Dvě třetiny celkové spotřeby elektřiny v průmyslu připadají na elektrické pohony. V Německu lze výměnou zastaralých pohonů, z nichž některé jsou v činnosti i několik desetiletí, ušetřit v průmyslu, živnostenském sektoru a veřejných zařízeních až 38 miliard kilowatthodin ročně. V celé Evropě by bylo možné snížit spotřebu o až 135 miliard kilowatthodin, což by znamenalo o 69 milionů tun méně emisí CO2 (zdroj všech údajů: ZVEI: Motory a regulované pohony).
 
V EU vymezuje minimální účinnosti pro elektromotory nařízení Komise (ES) č. 640/2009 z 22. července 2009, kterým se provádí směrnice Evropského parlamentu a Rady 2005/32/ES, pokud jde o požadavky na ekodesign elektromotorů. Toto nařízení dále rozšiřuje nařízení Komise (EU) č. 4/2014 ze 6. ledna 2014, kterým se mění nařízení Komise (ES) č. 640/2009, kterým se provádí směrnice Evropského parlamentu a Rady 2005/32/ES, pokud jde o požadavky na ekodesign elektromotorů.
 

Možnosti pro dodržování limitních hodnot účinnosti

Uvedené směrnice zavedly nové třídy účinnosti motorů tím, že převzaly aktuální limitní hodnoty pro IE1 (nejnižší třída) až IE3 z normy IEC EN 60034-30 (Točivé elektrické stroje – část 30: Třídy účinnosti jednootáčkových trojfázových asynchronních motorů nakrátko /kód IE/). Odpovědné orgány počátkem roku 2014 schválily přepracovanou verzi této normy, IEC EN 60034-30-1. Tato nová revize stanovuje mimo jiné limitní hodnoty pro třídu IE4 a uvádí možné limitní hodnoty pro IE5, které však nejsou stanoveny zákonem, a nejsou tedy závazné. Pro splnění požadavků na minimální účinnost bylo nutné změnit konstrukci dosavadních motorů a použít více plechu a mědi. Za povšimnutí však stojí také zcela nové typy motorů a možnost optimalizovat jejich spotřebu použitím měničů frekvence. Uživatel se tedy musí zorientovat ve velkém množství trendů na trhu.
 

Charakteristiky elektromotorů

Všechny elektromotory aktuálně dostupné na trhu se stejnou třídou účinnosti IE mají srovnatelnou účinnost pouze v nominálním pracovním bodě. Rozdíly však jsou např. při spouštění nebo při chodu s částečnou zátěží. Vedle toho je zde také množství dalších faktorů, jako jsou např. pořizovací náklady, montážní rozměry pro zástavbu do dosavadních strojů či zařízení nebo také potřebná řídicí elektronika. Některé typy motorů v každém případě vyžadují elektronické řízení, aby vůbec mohly fungovat.
 
Tento článek se dále soustředí na tři druhy motorů v současné době nejvýznamnější: třífázový asynchronní motor, motor s permanentními magnety a synchronní reluktanční motor. Nevěnuje se smíšeným typům motorů. V čem se tedy zmíněné tři typy motorů liší?
 

Běžný asynchronní motor

Třífázový asynchronní motor, který společnost AEG vyvinula už v roce 1889, je v průmyslu stále hojně využíván, neboť je velmi univerzální. Možnosti využití třífázových asynchronních motorů vzrostly s příchodem softstartérů a měničů frekvence.
 
Třífázový asynchronní motor (obr. 1) pracuje na principu Lorentzovy síly, kterou vyvolává pohyb elektrického náboje v magnetickém poli. Statorem vytvořené točivé magnetické pole vyvolává sílu, která působí na rotor motoru a roztáčí jej. Vinutí statoru běžného asynchronního motoru je vyrobeno z mědi, rotor s kotvou nakrátko mívá vinutí z hliníku, mědi nebo jiného vhodného materiálu. Třífázové asynchronní elektromotory připojené přímo k síti dosahují třídy účinnosti až IE4.
 
Účinnost asynchronního elektromotoru lze zlepšit použitím lepších materiálů pro vinutí a sestavením drážek statoru a klece rotoru z transformátorových plechů. V praxi to často znamená zvětšení rozměrů motorů. Nicméně všichni výrobci se pro zachování kompatibility s často používanými motory a pro možnost snadné výměny motorů ve starších zařízeních snaží dodržovat standardní montážní rozměry v souladu s normami. Rozměry pro připojení (rozteč montážních otvorů, výška hřídele, průměr hřídele) jsou zpravidla stejné, pouze průměr statoru bývá někdy větší. Otáčky asynchronních motorů lze regulovat měniči frekvence. Jedinou nevýhodou v praxi je to, že při použití měničů s pulzně šířkovou modulací izolace motoru degraduje.
 

Synchronní motor s permanentními magnety (PM motor)

V porovnání s třífázovým asynchronním motorem má synchronní motor s permanentními magnety, jak je z jeho názvu patrné, místo vinutí rotoru permanentní magnety (obr. 2). Konstrukce statoru je v nejjednodušším případě podobná asynchronnímu motoru.
 
PM motor je synchronní motor, tj. mezi polem rotoru a statoru není žádný skluz jako u třífázových asynchronních motorů. Potřebnou magnetizaci rotoru zajišťují beze ztrát permanentní magnety. Tím roste účinnost motoru. Ve srovnání s asynchronními motory dosahují PM motory také výrazně lepší účinnosti při menších otáčkách. Současné PM motory v praxi dosahují třídy účinnosti IE3 a IE4. PM motory standardní konstrukce mají obvykle menší rozměry než asynchronní motory se srovnatelnou účinností (např. IE3). Kromě nejjednodušších pro svůj provoz zpravidla vyžadují elektronický regulátor. Bez problémů je lze kombinovat s měniči frekvence vybavenými vhodnou regulací. Motory s permanentními magnety se při zkratu chovají jako zdroj energie a vyvolávají proudové rázy. Jsou-li přímo připojeny na síť, musí mít proto v rotoru zkratové vinutí. Toto tlumicí vinutí má však negativní dopad na chování při rozběhu a na účinnost motoru při provozu s měničem.
 

Synchronní reluktanční motor

Princip synchronního reluktančního motoru je znám již delší dobu. V minulosti se optimalizace jeho konstrukce týkala točivého momentu nebo konstrukčních rozměrů, ale v současnosti je hlavní důraz kladen na energetickou úspornost.
 
Motory využívají reluktanční sílu, která je výsledkem změny magnetického odporu (obr. 3). Nové speciální tvary průřezu rotoru pomáhají vést magnetické indukční čáry vnitřkem rotoru a vytvářejí tak reluktanční moment při velké účinnosti. Dosažitelné třídy účinnosti IE u motorů o výkonech 11 až 15 kW s novou konstrukcí se v praxi, v závislosti na výrobci, pohybují v rozmezí IE2 až IE4. Tyto motory také vykazují velmi dobré chování za malých otáček. Motory mohou mít
standardní rozměry podle IEC, ale je možné dosáhnout i menších rozměrů. Také synchronní reluktanční motory zpravidla potřebují k provozu měnič frekvence. Existují varianty, které lze provozovat přímo připojené k síti, ale ty mají ve srovnání s variantou s měničem horší účinnost.
 

Maximální úspora energie vyžaduje optimalizované řídicí algoritmy

V principu lze téměř všechny motory pohánět pomocí pevně naprogramované křivky, která pro dané otáčky stanoví potřebné napětí (u napájení z měniče tedy frekvenci) – tzv. křivky U/f. Výhody jednotlivých typů motorů, zejména jejich úspornost, však vyniknou pouze při uplatnění speciálních řídicích algoritmů, které umožňují optimalizovat provoz v každém bodě i při měnící se zátěži.
 
Regulovat motor v nízkých otáčkách je vždy ten nejtěžší úkol. Tato oblast však také jasně ukazuje, proč je nutné optimalizovat provoz konkrétních typů motorů. Teoreticky by na provoz třífázového asynchronního motoru měla stačit jedna charakteristická křivka U/f s počátečním bodem 0 V a 0 Hz, která pokračuje lineárně ke jmenovité frekvenci a jmenovitému napětí. Napětí 0 V však znamená, že motorem neproudí žádný proud. Pro vytvoření záběrného točivého momentu je ale záběrný proud nutný (obr. 4). Nezbytné je také přizpůsobení napětí motoru aktuální zátěži.
 
Může jeden typ měniče frekvence optimálně řídit všechny různé typy motorů s různými charakteristikami zátěže ve všech oblastech použití? Jak optimalizovat řídicí algoritmus, jaké informace jsou k tomu třeba a podle jakých strategií by měla být rozložena frekvence a napětí pro maximální efektivitu motoru? Odpovědi na tyto otázky nejsou jednoduché.
 
Nejmodernějším způsobem řízení motorů je v současnosti vektorové řízení, kdy se na základě vektorů napětí ve statoru a proudu v rotoru v každém okamžiku vypočítává optimální napájení motoru. Je však nutné také stanovit strategii řízení, která odpovídá charakteristice zátěže a požadované dynamice.
 
Obvykle se používá jedna ze tří strategií:
  • Konstantní úhel momentu (CTA – Constant Torque Angle). Cílem je získat z motoru maximální točivý moment. Proto je úhel momentu (fázový posuv mezi proudem ve statoru a rotoru) stále udržován na 90°.
  • Maximální moment na jednotku proudu (MTPA – Maximum Torque per Ampere). Cílem této opravdu komplexní řídicí strategie je co možná nejúspornější provoz motoru: pro určitý krouticí moment algoritmus stanoví maximální proud.
  • Vyrovnání účiníku (UPF – Unity Power Factor). Počítá se a reguluje nejlepší poměr napětí a proudu pro minimalizaci zdánlivého výkonu.
 
Při provozu různých typů motorů musí projektanti popsané zásadní principy řízení motorů přizpůsobit charakteristikám jednotlivých motorů. Proto je např. protielektromotorická síla (vyvolaná napětím indukovaným ve statoru působením permanentních magnetů v rotoru) v případě motorů s permanentními magnety výrazně větší než u třífázových asynchronních motorů.
 
Jestliže má být měnič vhodný pro obvyklé typy motorů, nabízí se otázka, zda je lepší použít jeden flexibilní řídicí algoritmus, nebo několik různých řídicích algoritmů, které dokážou lépe využít vlastnosti a výhody jednotlivých typů motorů pro konkrétní účel. Společnost Danfoss sází na modulární algoritmus téměř nezávislý na parametrech motoru, s nímž lze řídit různé konstrukční typy motorů. V novém firmwaru měniče VLT® AutomationDrive FC 302 je použit modulární řídicí program, který neustále počítá aktuální optimální napájení motoru pro správnou funkci a nejlepší možnou magnetizaci motoru. Energeticky úsporný provoz třífázových asynchronních motorů, motorů s permanentními magnety a synchronních reluktančních motorů je tedy možný již se základní verzí měniče bez příplatku.
 
Hardwarová konstrukce měniče včetně filtru pro EMC a tlumivek v DC meziobvodu a také použitá řídicí strategie MTPA přitom umožňují dosáhnout velké účinnosti motoru i systému motor-měnič. Co se týče účinnosti a úspornosti, dosahuje měnič srovnatelné, a někdy dokonce lepší účinnosti než kompaktní pohony složené z motoru a měniče, které výrobci nabízejí pouze jako kompletní balíček.
 
Orientace na úsporný provoz a možnost zkombinovat různé typy motorů s jediným měničem nabízí uživatelům možnost vyzkoušet pro jednu úlohu různé typy motorů. V případě nesplněných očekávání lze vždy přejít zpět na osvědčený třífázový asynchronní motor bez nutnosti výměny měniče frekvence.
 

Klíčem je automatické přizpůsobení měniče motoru

Velkou neznámou při provozu motorů jsou pro měniče údaje o motoru. Vedle zadání typu motoru stačí pro bezpečný provoz do měniče zadat údaje z typového štítku. Poskytují nejen přehled o přiřazení otáček pro danou frekvenci, ale také uvádějí omezení, která musí provozovatel zohledňovat a dodržovat. Například proud nemůže růst nad stanovenou mez: měnič jej musí omezit, aby nemohlo dojít k přetížení motoru.
 
Údaje na typovém štítku pro třífázové asynchronní motory jsou u mnoha výrobců standardizovány a nepředstavují při programování žádnou překážku. Složitější je již zpracování údajů z typového štítku motorů s permanentními magnety. Výrobci je občas uvádějí rozdílnými způsoby. Například údaje pro protielektromotorickou sílu (back EMF) jsou někdy uváděny pro jmenovité otáčky a jindy pro otáčky 1 000 min–1. Provozovatel musí takový údaj sjednotit s formou využívanou měničem.
 
Pro optimální řízení motoru však údaje z typového štítku nestačí. Každý výrobce používá jiné materiály, jeho motory jsou mírně odlišné od ostatních, vyžadují jinou magnetizaci, a výrobci dokonce určité údaje a hodnoty týkající se motoru mohou interpretovat různými způsoby. K tomu lze ještě přidat dimenzování motorů pro různé pracovní body. Všechny tyto skutečnosti se promítají v rozšířených údajích o motoru, které mají dopad na kvalitu řízení motoru a hodnoty proudu a napětí, které motor potřebuje k optimálnímu provozu.
 
Pro nezávislého výrobce pohonné techniky, jako je např. Danfoss, to v praxi znamená, že ve svých měničích musí tyto odchylky kompenzovat. Danfoss v tomto směru sází na automatické přizpůsobení měniče motoru. Znamená to, že měnič frekvence si ve stavu bez otáčení motorem změří údaje připojeného motoru. Léta používaný postup měření třífázových asynchronních motorů byl nyní rozšířen o postup pro motory s permanentními magnety a synchronní reluktanční motory. Tento postup změří motory do 3 s po zadání základních údajů z typového štítku.
 

Výhoda pro provozovatele – jeden měnič frekvence pro všechny typy motorů

Všechny zde uvedené typy motorů pro svůj optimální provoz potřebují řídicí elektroniku. Možnost použít jediný měnič je výhodné, protože v opačném případě by celý řídicí systém byl výrazně heterogenní. To by v praxi znamenalo vyšší požadavky na kvalifikaci a školení konstruktérů, obsluhy i pracovníků údržby. Také skladování rozdílných systémů by bylo nákladnější. Společnost Danfoss je nezávislý výrobce měničů frekvence a jako takový dodává měniče, které dokážou řídit všechny v současnosti průmyslově používané standardní motory. V celém výkonnostním rozsahu se tedy lze spolehnout na jednotnou obsluhu a jednotné rozhraní. Správa náhradních dílů je díky tomu velmi jednoduchá, stejně jako údržba, a sníženy jsou i náklady na školení.
 

Budoucí vývoj

Z posouzení různých typů motorů vyplývá, že zákonem stanovená a hospodářsky podmíněná potřeba úspory energie by pro trh s motory znamenala nový impulz. Derou se na něj tradiční, ale i nová konstrukční uspořádání motorů a ucházejí se o přízeň zákazníků. Bude velmi napínavé sledovat, které typy motorů se ve výsledku prosadí.
Ing. Jan Janeček,
Obr. 1. Standardní asynchronní motor s kotvou nakrátko
Obr. 2. Synchronní motor s permanentními magnety
Obr. 3. Synchronní reluktanční motor
Obr. 4. Charakteristická křivka U/f
Obr. 5. Typová řada měničů VLT® AutomationDrive FC302