Aktuální vydání

celé číslo

08

2021

Digitální transformace a konvergence provozních, informačních a inženýrských systémů

Výzkum, vývoj a vzdělávání v automatizaci

celé číslo

Regulované pohony ABB pro automatizaci a úspory elektrické energie

Regulace elektrických motorů prostřednictvím měničů frekvence přináší značné úspory elektrické energie. Měnič frekvence v současném pojetí je elektronický přístroj, který umožňuje měnit frekvenci napájecí sítě na frekvenci, kterou požaduje poháněné zařízení. Měniče frekvence nacházejí uplatnění v různých úlohách, avšak běžně se jimi rozumějí měniče pro asynchronní motory umožňující hospodárnou regulaci otáček v širokém rozsahu. Měniče frekvence se skládají z výkonové části pro přeměnu parametrů napájecí sítě a z řídicí elektroniky, která jednak ovládá výkonovou část a jednak zajišťuje styk s okolím. Komunikace s okolím je často velmi komfortní a řeší mnoho úloh, které by jinak musely být zahrnuty v nadřazeném řídicím systému. V uplynulém období společnost ABB doplnila jednotlivé typy měničů zajímavými novinkami, které budou v dalším textu krátce představeny.
 

Potřeba regulace otáček a úspory elektrické energie

Potřeba regulovat otáčky v mnoha případech vychází z požadavku regulovat dopravované množství média. Při pohledu na typický příklad časového využití čerpadel nebo ventilátorů v teplárnách je zřejmé, že se velmi mění v závislosti na čase. Vzhledem ke konstantním otáčkám nejčastěji používaných asynchronních motorů by byl provoz s plným výkonem mrháním energií. Metoda regulace otáček je nejhospodárnější, neboť vede k nejnižší spotřebě energie. Právě pro řízení otáček se nejčastěji volí měniče frekvence. Z pohledu ekonomického vyhodnocení vychází velmi příznivě (obvyklá doba návratnosti kratší než 1,5 až 2,5 roku) právě jejich typické využití v pohonech oběhových čerpadel, napáječek, kouřových i primárních a sekundárních ventilátorů kotlů. Naopak malých úspor se dosahuje tam, kde zařízení buď běží trvale téměř na plný výkon anebo pracuje v podmínkách konstantního protitlaku. K vyhodnocení úspor a výpočtu návratnosti investice je možné využít softwarové nástroje PumpSave nebo FanSave (obr. 1) firmy ABB.
 

Další úspory se softwarem IPC

ABB spolupracuje s předními světovými výrobci čerpadel a již více než 40 let pro ně postupně vyvíjí specializované programové vybavení měničů frekvence. IPC je volitelný software pro měniče frekvence typu ACS 800 v širokém výkonovém rozsahu od 0,55 do 5 600 kW. Všechny funkce, které jsou nejčastěji požadovány pro zařízení s čerpadly, jsou zabudovány přímo v měniči frekvence, a proto není třeba vybavovat systém externím řídicím PLC. Inteligentní systém řízení čerpadel IPC přináší následujících šest funkcí, z nichž tři jsou navíc patentovaná řešení.
 

Řízení hladiny

Funkce řízení hladiny se uplatňuje hlavně při plnění a vyprazdňování jímek odpadních vod. Software v měniči oproti běžným aplikacím navíc sleduje hladinu v jímce a náhodně mění její úroveň v rozsahu nastaveném uživatelem. Tím se zabraňuje usazování sedimentu na stěnách. Strmá akcelerační rampa při startu vytváří proplachovací efekt, který čistí potrubí. Díky IPC čerpadlo navíc pracuje v optimálním pracovním bodě na křivce účinnosti, takže je minimalizována jeho spotřeba energie.
 

Nepřímé měření průtoku

Funkce nepřímého měření průtoku umožňuje vypočítat průtok bez použití průtokoměru. Software IPC počítá průtok buď z celkové dopravní výšky čerpadla (QH) změřené pomocí dvou čidel tlaku, nebo z příkonu čerpadla (QP). Možná je i kombinace obou způsobů. K výpočtu je třeba zadat charakteristiku čerpadla z křivek, které uvádí výrobce, průměry potrubí na vstupu a výstupu čerpadla a tlakový rozdíl mezi čidly tlaku.
 

Řízení několika čerpadel

Díky softwaru IPC je možné používat různé způsoby řízení spolupráce několika čerpadel, která jsou napojena na společný výtlačný systém s proměnným požadovaným průtokem. Každé čerpadlo má svůj měnič frekvence a všechny měniče jsou spojeny optickou linkou a pracují v režimu master/follower (nadřízený/podřízený). Jak se zvyšuje požadovaný odběr,
spínají postupně další čerpadla.
 

Řízení priority čerpadel

Systém řízení priority čerpadel jednak optimalizuje provoz jednotlivých čerpadel z hlediska časového vytížení, a jejich opotřebení apod. a jednak umožňuje naprogramovat takový režim, aby byla čerpadla s větším výkonem v činnosti při větším požadovaném průtoku, menší čerpadla při menším požadovaném průtoku. Opět se tak zajišťuje provoz čerpadel v optimálním režimu z hlediska účinnosti.
 

Zvýšení tlaku nebo hladiny před režimem spánku

Při malém požadovaném průtočném množství přecházejí čerpadla do tzv. režimu spánku. S využitím softwaru IPC lze těsně před přechodem do tohoto režimu nastavit časově a procentuálně stanovené zvýšení tlaku nebo hladiny. Prodlouží se tím doba spánku, což vede k úspoře energie. Zároveň se zmenší počet zbytečných rozběhů a propláchne se potrubí.
 

Prevence ucpávání – anti-jam

Funkce anti-jam odstraňuje usazené nečistoty v čerpadle a tím usnadňuje preventivní údržbu. Je-li tato funkce aktivována, čerpadlo se začne točit vyššími otáčkami a pak se zastaví nebo reverzuje v předem určených cyklech.
 

Adaptivní programování

Všechny zmíněné funkce lze navíc kombinovat s adaptivním programováním měničů ACS 800. V důsledku toho je možné maximálně vyhovět potřebám dané úlohy. Měniče frekvence obecně ušetří 20 až 50 % energie v porovnání s klasickými způsoby regulace. Software IPC díky popsaným funkcím ušetří dalších zhruba 5 až 20 % elektrické energie. Software IPC měničů ACS 800 získal cenu Zlatý Amper 2007.
 
Adaptivní programování umožňuje volně programovat ovládací část programu měniče s využitím knihovny následujících funkčních bloků: ABS, ADD, AND, COMPARE, EVENT, FILTER, MAX, MIN, MULDIV, NO, OR, PI, PI-BAL, SR, SWITCH, TON, TOFF, TRIGG a XOR. V praxi to znamená, že uživatel může snadno vytvářet nové nebo modifikovat standardní signály I/O, a měnit tak způsob ovládání pohonu. Uživatelský program lze vytvořit buď prostřednictvím standardního ovládacího panelu nebo v prostředí speciálního softwaru Drive AP provozovaného na PC. Druhá možnost kromě většího komfortu programování a archivace programů umožňuje i tisknout související výkresovou dokumentaci. Díky adaptivnímu programování získá uživatel funkce malého jednoduchého PLC, které během uvádění do provozu snadno přizpůsobí své úloze.
 

Šetří i motory

Motory se ve výrobním závodě významně podílejí na spotřebě elektrické energie. Vyplatí se proto sledovat jejich účinnost. Společnost ABB pružně reaguje na nově zaváděné členění tříd účinnosti (IEC 60034-28) a uvádí na trh novou řadu nízkonapěťových motorů. K řadám M2.. (EFF 2), M3.. (EFF1) přibude nová řada M4.. která svými parametry patří do nově vzniklé kategorie Premium Efficiency. ABB má k dispozici program pro výpočet úspor, které vzniknou náhradou motoru s nižší účinností motorem s vyšší účinností, a program Motor operation savings analyzer (obr. 2), který umožňuje analyzovat spotřebu motorů ve výrobním závodě.
 

Další novinky pro automatizaci přímo v měniči

Významně inovován byl nízkonapěťový měnič frekvence ACS 50 (0,18 až 2,2 kW), což vedlo dokonce k jeho přejmenování na ACS 55. Výrobce rozšířil možnost změnit konfiguraci vstupů měniče (tab. 1, tab. 2) a aplikačních maker pomocí programátoru DriveConfig Kit připojitelného k PC.
 
U měniče frekvence ACS 350 (0,37 až 22 kW) lze sekvenčně programovat po sobě jdoucí, opakující se činnosti. Je možné vytvořit až osm takových sekvencí a pro přechod do následujícího stavu využít sledování veličin v měniči. Navíc je také možné počítat otáčky motoru a řídit činnosti podle času. Programuje se buď pouze z ovládacího panelu nebo pomocí speciálního programovacího nástroje, který je možné instalovat do PC. Výhodou je přitom možnost sledovat signály v grafické nebo číslicové podobě. Měnič lze naprogramovat tak, že na sebe přebírá úlohy dříve řešitelné pouze s využitím externího PLC.
 
Sady parametrů je možné vytvořit také prostřednictvím patentované funkce FlashDrop (obr. 3), která je k dispozici v měničích frekvence ACS 150, ACS 350 a nově také v ACS 550 (0,75 až 355 kW). Programátor interní paměti typu flash (dále jen FlashDrop) umožňuje snadno vybrat a nastavit parametry měniče frekvence, kopírovat nastavení mezi měniči, skrýt parametry, a vytvořit tak strukturu parametrů přizpůsobenou přímo potřebám uživatele. Parametry mohou být nahrány během dvou sekund a měnič může být nastaven, aniž by musel být připojen na napájecí napětí. Každé sadě parametrů může být přiřazen název v textové podobě, který uživateli jasně napoví, o jakou úlohu jde. Navíc lze při nastavování parametrů některé z nich skrýt, čímž se zjednoduší jejich struktura pro konečného uživatele a navíc je tím i lépe chráněno poháněné zařízení.
 

Servoměniče ACSM1 – rychlost a efektivita pro výrobce strojů

Novinkou v oblasti měničů frekvence ABB je servoměnič ACSM1 (obr. 4), který se řadí do skupiny měničů pro stroje a výrobní zařízení (machinery drives). Měnič je velmi modulární a jeho přednosti se uplatní především tam, kde je nutná značná rychlost polohování, tedy např. ve strojích pro zpracování materiálu, obráběcích a balicích strojích.
 
ACSM1 je primárně určen pro motory s permanentními magnety (PM). U těchto motorů lze volit druh zpětné vazby: snímač absolutní polohy s rozhraním Hiperface nebo Endat, inkrementální snímač se dvěma sinovými výstupy posunutými o 90° (sin/cos), TTL nebo HTL či rezolver. Pro výrobce strojů je výhodou, že lze připojit i běžný asynchronní motor a využívat ve stroji jen jeden druh měničů. Stejně jako jiné měniče ABB, využívá i ACSM1 patentovanou metodu přímého řízení momentu, DTC (Direct Torque Control). Měnič je dodáván s vyjímatelnou pamětí flash typu MU (Memory Unit), která minimalizuje prostoje výrobní linky. Při poruše měniče jej stačí pouze vyměnit a zasunout původní paměť do nového měniče. Další nastavování a přepisování parametrů nejsou zapotřebí. V současnosti je výkonový rozsah 0,75 až 45 kW, později budou uvedeny na trh moduly E s výkonem do 110 kW.
 
Ing. Naděžda Pavelková,
produktový manažer ABB s. r. o.
 
 
Obr. 1. Program pro výpočet úspor PumpSave
Obr. 2. Program analýzy úspor pro motory
Obr. 3. Programátor FlashDrop
Obr. 4. Servoměniče ACSM1
 
Tab. 1. Konfigurace vstupů motoru ACS50
Tab. 2. Konfigurace vstupů motoru ACS55
 
ABB s. r. o.
Sokolovská 84–86
186 00 Praha 8
tel.: 234 322 110
fax: 243 322 310
 
Obr. 1. Program pro výpočet úspor PumpSave
Obr. 2. Program analýzy úspor pro motory
Obr. 3. Programátor FlashDrop
Obr. 4. Servoměniče ACSM1