Měniče VLT AutomationDrive FC 302 od firmy Danfoss na zkušebních stolicích velkých převodovek

Článek se věnuje použití měničů frekvence Danfoss pro zkušební stolice určené k testování průmyslových převodovek, tedy převodovek pro trakční motory, kompresorové stanice, větrné elektrárny a podobná průmyslová zařízení. Pohony zkušebních stolic jsou specifické tím, že velké převodovky s extrémními setrvačnými hmotami je třeba zkoušet při vysokých otáčkách. V jednom zařízení se tak setkávají požadavky na vysoký výkon i na velkou dynamiku.

Před několika lety se na firmu RegulTech obrátil český výrobce převodovek s poptávkou návrhu a vývoje zkušební stolice, na níž bude testovat velké převodovky pro větrné elektrárny. Ty měl vyrábět ve svém závodě v Hronově. Šlo o převodovky s hmotnostmi 30 až 60 t. Pro firmu RegulTech to byl první projekt s pohony velkých výkonů z řady několika úspěšných zakázek, které pro tohoto úspěšného českého výrobce postupně rea­lizovala.

Zkušební stolice pro převodovky větrných elektráren

Úkolem zkušební stolice je roztočit sestavu obvykle dvou stejných převodovek o jmenovitém výkonu 2 až 5 MW smontovaných proti sobě (ve zkušebnictví se používá anglický výraz back to back) na požadované otáčky. Využívá se k tomu řídicí elektromotor na jedné straně stolice. Na jejím konci je zapojen druhý elektromotor, který celou sestavu brzdí, tedy vnáší do soustavy zátěžný krouticí moment. Převodovku tak lze testovat na volno pomocí jednoho motoru i se zátěží, kterou simuluje brzdicí motor.

Protože se hmotnost celého zkušebního zařízení pohybuje v rozmezí od 90 do 150 t (podle provedení převodovky), je sestava rámů, motorů a převodovek postavena na masivním železobetonovém základu. Asynchronní motor na jedné straně, který roztáčí celou sestavu zkušební stolice, je řízen měničem frekvence Danfoss řady VLT^® AutomationDrive FC 302 o jmenovitém výkonu 710 kW. Na druhé straně je stejně velkým asynchronním motorem s měničem frekvence Danfoss celé soustrojí zatěžováno. Elektrická energie je mezi měniči sdílena prostřednictvím stejnosměrného meziobvodu, takže spotřeba celé zkušební stolice je dána pouze ztrátami celého soustrojí.

Zkušební stolice pro dynamické zkoušky trakčních motorů

Technicky velmi zajímavý byl i další z rea­lizovaných projektů: výstavba nové zkušebny pro dynamické testování trakčních převodovek kolejových vozidel do jmenovitého výkonu 500 kW, vyráběných také v hronovském závodě (obr. 1). Šlo o kompletní zakázku se stavební a technologickou částí, na které se podílelo několik společností. Firma RegulTech byla generálním projektantem i dodavatelem.

V tomto případě se převodovka nejen roztáčí a brzdí, ale navíc na ni ve třech osách působí mechanické rázy od 2 do 10 g s frekvencí až 2 Hz, které simulují jízdu vlakové soupravy po kolejích. Naměřené hodnoty se online zobrazují a archivují v počítači v taktu 1 ms.

Celá zkušební stolice je umístěna na železobetonovém základu o hmotnosti přibližně 100 t, plovoucím na vzduchových polštářích. Ty jsou určeny k odtlumení rázů do okolí a ke stabilizaci celého soustrojí. Při simulaci rázů, které způsobují výchylku rámu převodovky až ±30 mm, by měl tento pohyb při pevném spojení základu se zemí nepříznivé dopady v podobě šíření silných vibrací do okolí.

V uvedeném případě jsou použity dva dvanáctipulzní měniče frekvence Danfoss řady VLT AutomationDrive FC 302 o jmenovitém výkonu 1,4 MW. Zkušební stolice je v současné době výrobcem plně využívána k testování vlastních převodovek i pro externí zakázky. Od uvedení do provozu v roce 2013 se zkušebna používá především pro dlouhodobé testování.

Technickou zajímavostí této zkušební stolice je mj. použití dvou asynchronních motorů s kotvou nakrátko o výkonu 1,4 MW, jednoho čtyřpólového a druhého desetipólového. Motory je díky řízení pomocí měničů Danfoss řady VLT AutomationDrive FC 302 možné přetáčet až na dvojnásobek jejich jmenovitých otáček. Oba motory jsou od zkoušené převodovky odděleny kardanovým kloubem a lamelovou spojkou, aby nebyly spolu s ní dynamicky namáhány zkušebními rázy.

Rekonstrukce zkušebny 10MW převodovek v Plzni

Na základě zmíněných úspěšně realizovaných projektů obdržela firma RegulTech zakázku pro plzeňský výrobní závod stejného výrobce na unikátní zkušební stolici k otestování 180t šnekové převodovky do cementárny. Tato mohutná převodovka, přezdívaná „hvězdná brána“, byla na stolici vyzkoušena a dodána zahraničnímu zákazníkovi.

Protože i tuto zakázku firma RegulTech zvládla k plné spokojenosti zákazníka, podílela se i na projektu modernizace zkušebny průmyslových převodovek, postavené v roce 1927. Zkušebna, ještě se starým dynamometrem, již nevyhovovala moderním požadavkům a plánům rozvoje firmy. V tomto případě šlo o statickou zkušebnu rychloběžných převodovek do 10 MW přenášeného výkonu a do 600 kW ztrátového výkonu (obr. 2). Zkušební stolice je poháněna asynchronním motorem o výkonu 1 MW a brzděna také asynchronním motorem s výkonem 710 kW. Řídicí motor s měničem frekvence Danfoss řady VLT^® AutomationDrive FC 302 dokáže převodovku plynule roztočit až na otáčky 3 600 min^–1 (120 Hz) a udržet ji v chodu po dobu 4 h. Na pastorku převodovky „dorychla“ tak lze při plném výkonu dosáhnout otáček 30 000 min^–1.

Motory zkušební stolice jsou opět řízeny měniči frekvence Danfoss VLT AutomationDrive FC 302 (obr. 3). Firma RegulTech realizovala tento projekt od zadání až po uvedení do provozu, včetně silové části, měření a regulace, chlazení, klimatizace, osvětlení, slaboproudé techniky a dispečerského pracoviště s počítačovým terminálem. Lze tak testovat celé zkušební stolice a následně sledovat všechny měřené hodnoty, včetně záznamu zkoušky a jeho následné analýzy.

Úspěšná premiéra na mimořádné zakázce

V zadání byl požadován návrh zkušební stolice pro převodovky do 10 MW přenášeného výkonu. Mezitím ale výrobní firma získala kontrakt na výrobu velkých převodovek pro turbokompresorové stanice, a tak jedna z prvních převodovek, která se zde zkoušela, disponovala přenášeným výkonem více než pětinásobným, 54 MW, a jen samotný ztrátový výkon převodovky jako takové byl 1,2 MW.

Zkoušená 54MW převodovka byla v tomto případě jen roztáčena, brzdila se sama svým ztrátovým výkonem. Ovšem i pro pouhé roztočení převodovky bylo nutné hlavnímu asynchronnímu motoru o výkonu 1 MW pomoci druhým elektromotorem o výkonu 710 kW. Zatímco první byl napájen z distribuční sítě, pro druhý motor jako zdroj posloužil dieselagregát. Celkový odebíraný příkon pro tuto zkoušku byl 1,5 MW. Soustrojí bylo řízeno prostřednictvím parametrizovaných měničů frekvence Danfoss řady VLT AutomationDrive FC 302. Na druhé straně zkušební stolice byl umístěn jen malý 50kW motor, kterým by bylo možné převodovku přibrzdit v případě, že by došlo k jejímu přetáčení nebo rozkmitání celého soustrojí.

Zkušební stolice v tomto úkolu obstála a firma RegulTech tak prokázala schopnost pružně řešit i technicky značně složitá zadání.

Zkušebna v běžném provozu

Součástí stolice jsou potřebné snímače vibrací, rychlosti otáčení, krouticího momentu, teploty ložisek, tlaku oleje atd., které podrobně sledují všechny parametry převodovky.

Ve zkušebně jsou použity měniče frekvence Danfoss VLT AutomationDrive FC 302 (viz text na rastru). Jsou to měniče používané pro nejtěžší úlohy s náročnou dynamikou. U této zkušební stolice lze řídit hlavní i brzdicí motor samostatně pro testování převodovky bez zatížení, nebo oba motory současně, je-li třeba testovat přenos krouticího momentu. Potom je hnací motor řízen měničem v rychlostní zpětné vazbě, brzdicí motor je řízen měničem v momentové vazbě. Také v tomto případě jsou měniče propojené přes stejnosměrný meziobvod, takže si mohou navzájem předávat energii a ze sítě se doplňuje jen ztrátový výkon. Požadované hodnoty otáček a momentu se do měničů zadávají z řídicího systému prostřednictvím sběrnice Profibus. Algoritmus řízení navrhovali podle požadavků zákazníka technici firmy RegulTech. Je třeba dodat, že i pro takto náročnou úlohu lze použít standardní měniče VLT AutomationDrive FC 302 ze sortimentu firmy Danfoss, bez jakýchkoliv zakázkových úprav hardwaru nebo firmwaru. Nastavit měnič bylo v tomto případě nutné se znalostí matematického modelu motoru a s respektováním všech případných poruchových vlivů, které se za provozu zkušební stolice projevují. Také parametrizaci měničů a uvedení do provozu zajistili ve všech případech technici firmy Danfoss.

Závěr

Najít pro popsané úlohy vhodné měniče frekvence není jednoduché. Problém popisuje Jan Zahradník, projektant firmy RegulTech: „Hledáte-li pro svůj projekt měniče pro výkony přes 400 kW s výstupní frekvencí přes 80 Hz, zjistíte, že firem, které jsou schopné je dodat, není mnoho. Vysokonapěťové měniče nedokážou spínat s tak velkou frekvencí a nízkonapěťové zase nemají dostatečný výkon. Přidáte-li do porovnání kromě technických parametrů také cenu a rozsah technických služeb, ukáže se, že frekvenční měniče firmy Danfoss jsou logickou volbou.“

Pro volbu měničů Danfoss však měla firma RegulTech také další pádný argument: dlouhodobé partnerství. „Známe dobře nejen techniku, ale i odborníky z týmu společnosti Danfoss. Zvláště u složitějších technologických zařízení hodně závisí na kvalitě, spolehlivosti a poskytovaném servisu,“ říká Erich Neugebauer, jednatel firmy RegulTech. 

Petr Bartošík

Obr. 1. Dynamická zkušebna trakčních převodovek v Hronově

Obr. 2. Rekonstruovaná zkušebna převodovek v Plzni

Obr. 3. Sestava měničů frekvence Danfoss VLTR Automation Drive FC 302 použita ve zkušebně v Hronově

O firmě RegulTech

Firma RegulTech servis, s. r. o., z Hradce Králové byla založena v roce 1991 jako fyzická osoba s jediným majitelem a pracovníkem. Od roku 1996 je společností s ručením omezeným. Firma původně se sedmi zaměstnanci postupně rostla a zabývala se především regulací vytápění a klimatizace a automatizací soustav zásobování teplem.

Firma RegulTech měla od počátku vlastní projektanty a programátory, nikdy se tedy neprofilovala pouze jako montážní firma. To jí poskytovalo větší nezávislost a flexibilitu zaměření. V průběhu doby se začala věnovat i automatizaci technologických procesů. Mezi její první projekty v tomto oboru patřilo řízení provozu kvasírny a dohled nad tanky s etanolem v lihovaru nebo řízení dopravních cest vytěžené suroviny a řízení plovoucích bagrů ve štěrkovně. Zajímavým projektem byly řídicí systémy pro pět lodí na elektrický pohon, které v současné době brázdí vody Brněnské přehrady.

Měniče frekvence Danfoss firma poprvé použila při řízení čerpadel výměníkových stanic v projektu pro firmu Elektrárny Opatovice, která zajišťuje centrální zásobování teplem aglomerace měst Hradec Králové, Pardubice a Chrudim. Jelikož je firma s těmito měniči naprosto spokojená, používá je i v dalších projektech ve velmi širokém spektru úloh.

Měniče frekvence VLT AutomationDrive FC 302

Měniče frekvence Danfoss VLT^® AutomationDrive FC 302 (drives.danfoss.cz) jsou vhodné pro řízení nejen asynchronních motorů, ale i motorů s permanentními magnety a synchronních motorů. Mají velkou provozní účinnost (optimalizované ztráty) a přizpůsobivost použití. Vyžadují minimální náklady na náhradní díly a servis. Uplatní se zejména pro řízení průmyslových strojů a zařízení s požadavky na velkou dynamiku.

Flexibilní a modulární koncepce řízení umožňuje realizovat různé řídicí algoritmy. Robustní provedení je zárukou velké spolehlivosti a dlouhé provozní životnosti. Měniče jsou běžně vybaveny mnoha funkcemi potřebnými k řízení průmyslových strojů a zařízení. Snadno je lze dodatečně rozšířit o další moduly metodou plug-and-play. Uživatelsky přívětivý grafický ovládací panel usnadňuje nastavení měniče, jeho uvedení do provozu a zálohování parametrů.

Měniče jsou dodávány v provedení do rozváděče i pro instalaci přímo do provozního prostředí (krytí až IP66). Vestavěné meziobvodové DC tlumivky a integrované filtry EMC minimalizují šíření vyšších harmonických do sítě a řeší požadavky na danou úroveň elektromagnetické kompatibility.

Všechny měniče Danfoss jsou ve výrobním závodě testovány, a tak zákazník není první, kdo daný měnič dává pod napětí. O všech testech je možné získat protokol. Měniče mají vestavěný regulátor polohy a pohybu (IMC – Integrated Motion Controller) a lze je použít pro přesné polohování a synchronizovaný provoz. Funkce regulace polohy a pohybu se konfigurují přímo v softwaru měniče, není třeba dodatečný software či hardware a nejsou zapotřebí ani znalosti programování.