Osm často opomíjených parametrů VFD k optimalizaci

V průběhu minulého století se elektromotory staly všudypřítomným prostředkem pohonu různých průmyslových zařízení, včetně čerpadel, ventilátorů a kompresorů. V posledních několika desetiletích se frekvenční měniče (Variable Frequency Drives – VFD) staly výkonným a dnes již běžným nástrojem ke snížení spotřeby energie a optimalizaci řízení elektromotorů.

Při nastavování VFD pro průmyslovou automatizaci pravděpodobně technici spolupracovali s dodavatelem elektrického systému, aby zajistili, že každý VFD bude během uvádění do provozu adekvátně řídit příslušný motor. Dodavatelé elektrických systémů však často nejsou odborníky na optimalizaci pohonu pro konkrétní motor a potřeby aplikace. Většina moderních VFD jsou komplexní řídicí zařízení, která obsahují mnoho parametrů, jež lze jemně vyladit, aby přinesly aplikaci ještě více. 

Osm parametrů VFD

Existuje osm parametrů VFD, které se při instalaci často opomíjejí a které lze často optimalizovat, což přináší řadu zlepšení při provozu motorů. U všech nastavení popsaných v tomto seriálu nejprve ověřte, zda parametr odpovídá parametru uvedenému v dokumentaci výrobce, a věnujte zvláštní pozornost technickým jednotkám.

Parametr VFD č. 1: Tepelný proud

Tepelný proud je parametr, který udává maximální povolený proud, jenž se liší od proudu motoru při plném zatížení (FLA). Zatímco FLA je jmenovitý příkon a udává maximální přípustný proud motoru z dlouhodobého hlediska, tepelný proud udává vyšší proud, který lze krátkodobě použít, což umožňuje u VFD bezpečně použít vyšší než standardní jmenovitý příkon motoru.

Nastavení tepelného proudu informuje VFD, jaký příkon „navíc“ může motor zvládnout a pracovat bez tepelného selhání. Při překročení tohoto limitu může VFD spustit poruchu dříve, než dojde k přetížení motoru, a chránit tak motor před tepelným selháním. Při konfiguraci parametru pohonu pro proud motoru mohou uživatelé najít FLA a dovolené opakovatelné přetížení (Service Factor – SF) na výrobním štítku motoru. Tyto dvě hodnoty vynásobte a vypočítejte tepelný proud v ampérech.

Parametr VFD č. 2: PWM

Každý VFD napájející střídavý motor funguje tak, že převádí síťový střídavý proud na stejnosměrný, který pak VFD moduluje na střídavý průběh. Tato modulace se provádí rychlým pulzováním stejnosměrného proudu – jeho zapínáním a vypínáním – a vytváří se tak střídavá vlna. VFD upravuje amplitudu a frekvenci vlny tak, aby se motor otáčel požadovanou rychlostí. Parametr spínací frekvence pulzní šířkové modulace (PWM) reguluje tyto pulzy a lze jej upravit změnou počtu pulzů použitých k vytvoření střídavého napájení motoru.

Pokud není PWM optimalizována pro motor a aplikaci, není odvádění tepla produkovaného motorem a pohonem vyvážené. Pokud je PWM příliš nízká, motor se rychleji zahřívá, což se projevuje pískáním motoru. Nakonec to může vést k problémům s poruchou izolace anebo s důlkovou korozí ložisek. Vysoká hodnota PWM vyžaduje, aby měnič pracoval intenzivněji, což může vést k jeho přehřátí a zkrácení životnosti VFD.

Zvýšená hodnota PWM může zvýšit vznik odrazových vln mezi motorem a měničem, což může způsobit zvýšenou indukci proudu v hřídeli motoru, jejímž následkem může být vznik důlků v ložisku motoru a poruchy uzemnění měniče. Správným vyladěním PWM mohou uživatelé vyvážit tepelné ztráty a prodloužit životnost motoru i měniče.

Parametr VFD č. 3: Doba zpomalení

Doba zpomalení je parametr, který určuje, za jak dlouho VFD zpomalí motor. Delší doba zpomalení povede k delšímu doběhu, aby se motor úplně zastavil. Zatímco mnoho instalačních techniků ví, jak optimalizovat dobu zrychlení, aby se předešlo problémům s nadproudem při spouštění, doba zpomalení bývá opomíjena.

Nastavení doby zpomalení je důležité pro prevenci poruchy způsobené přepětím, která může vzniknout, když je motor odpojen od napájení a setrvačnost zátěže pokračuje v otáčení motoru. Tato rotace způsobuje, že motor vyrábí elektřinu, která se vrací zpět do měniče a způsobuje jeho poruchu. V tomto případě se vhodnou dobou zpomalení sníží velikost elektřiny vznikající při zpomalování zátěže a zabrání se poruše. Pokud například uživatelé mají motor, který ovládá ventilátor, a zpomalení a zastavení ventilátoru trvá 10 sekund, měl by být měnič naprogramován s touto dobou zpomalení, aby se prodloužila životnost motoru. Upozorňujeme však, že pokud je z procesních nebo bezpečnostních důvodů nutné rychlé zastavení, může být zapotřebí další hardware a je třeba se poradit s příslušnými odborníky.

Parametr VFD č. 4: Minimální otáčky

Minimální provozní otáčky jsou nastavenou hodnotou otáček, obvykle vypočtenou jako procento maximálních otáček, pod kterou VFD nedovolí motoru běžet. Vzhledem k tomu, že většina motorů je chlazena vnitřním ventilátorem, jehož otáčky přímo souvisejí s otáčkami motoru, je nastavení minimálních provozních otáček důležité, aby se zabránilo přehřátí motoru, k němuž může dojít při nízkých otáčkách. Pokud jsou například minimální provozní otáčky nastaveny na 10 % a někdo zadá pro VFD referenční otáčky 5 %, VFD motor neroztočí. Mějte na paměti, že integrátor řídicího systému by měl zajistit, aby toto bylo zohledněno při implementaci jakýchkoli propojovacích konfigurací programovatelného logického automatu (PLC), jako jsou algoritmy PID (proporcionální – integrační – derivační), kde je měnič řízen regulovanou veličinou (Control Variable – CV). 

Parametr VFD č. 5: Skoková změna frekvence

Funkce skokové změny frekvence se obvykle skládá z několika parametrů. Každý z parametrů skokové změny frekvence se týká frekvence, při které VFD nespustí zátěž. Mnoho mechanických systémů má frekvenci nebo frekvence, při nichž systém nadměrně – a možná i destruktivně – vibruje. Pokud má například systém rezonanční frekvenci 40 Hz, při chodu motoru na 40 Hz by docházelo k nadměrným vibracím a k případnému uvolňování dílů. Správným nastavením skokové změny frekvence VFD přeskočí 40 Hz a zabrání těmto vibracím. Někteří výrobci zařízení sice mohou rezonanční frekvence uvádět, ale častěji je lze zjistit na základě zkušeností. Mohou existovat další související parametry udávající určité pásmo, takže existuje rozsah, ve kterém VFD nebude zůstávat.

Parametr VFD č. 6: Nastavení zobrazování

Každý významný výrobce nabízí ke svým měničům malý programovatelný modul LCD s rozhraním obsluhy (Human Interface Module – HIM). Ačkoli výchozí nastavení může být pro některé aplikace vhodné, modul lze obecně naprogramovat tak, aby se na displeji zobrazovaly jiné hodnoty nebo aby si uživatel mohl přizpůsobit uživatelské prostředí. Níže jsou popsána tři nejdůležitější nastavení, a to zobrazovaná hodnota, zobrazovací jednotky a heslo, ačkoli názvy parametrů se mohou u jednotlivých výrobců VFD lišit. 

1. Zobrazovaná hodnota

Většina HIM u VFD má jako výchozí tovární nastavení zobrazení otáček motoru. V některých aplikacích je vhodnější zobrazovat jinou hodnotu. Například v mnoha aplikacích míchání se podle změny viskozity mění příkon motoru. Zobrazení příkonu na HIM umožní obsluze zjistit, jak je produkt promíchaný, aniž by bylo nutné vyvolat displej SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) v řídicí místnosti. Nejlepším způsobem, jak určit ideální zobrazovanou hodnotu, je řídit se znalostí procesu, možnostmi a preferencemi obsluhy zařízení. V závislosti na výrobci si může operátor také zobrazovat frekvenci, proud, vlastní zprávy nebo vypočtenou hodnotu. 

2. Zobrazovací jednotky

Hodnotu HIM lze optimalizovat pouze tehdy, pokud se správné informace o procesu zobrazují ve správných jednotkách. V některých případech se jedná o jednoduchou změnu zobrazení hodnoty v metrických jednotkách, například litry/min místo gal/min. V jiných případech se může jednat o sladění hodnoty tak, aby odpovídala obrazovkám SCADA a HMI a zobrazovala procenta otáček namísto otáček za minutu.

3. Heslo

Heslo a související nastavení lze použít k omezení ovládání VFD z HIM. Ačkoli může být omezení provozu VFD dáno bezpečnostními důvody, k omezení ovládání motoru existují také provozní důvody. Například nemusí být žádoucí překvapit operátora v řídicí místnosti zapnutím motoru z rozhraní HIM v provozu. Nastavení hesla může u produktů mnoha výrobců zablokovat zásahy neoprávněných uživatelů a zároveň zachovat zobrazování parametrů na displeji. Určení nejlepšího využití těchto bezpečnostních opatření se nejlépe provádí ve spolupráci s pracovníky závodu a technickými pracovníky odpovědnými za bezpečnost, zabezpečení a provoz. 

Parametr VFD č. 7: Řízení, 4 nastavení

Řídicí charakteristiky jsou skupinou parametrů, které pomáhají definovat, jak bude VFD měnit frekvenci a příkon, aby plnil naprogramované žádané hodnoty ve špičkových měničích. To může mít zásadní význam pro zajištění správné velikosti krouticího momentu ve správný čas pro danou aplikaci. Nezaměňujte to s nastavením žádaných hodnot, které se vždy nastavují při uvádění do provozu. Většina výrobců nabízí několik různých nastavení řídicích charakteristik, které pomáhají při konkrétní aplikaci, přičemž čtyři nejčastější jsou:

1. Poměr V/Hz

Řídí velikost vztahu napětí a proudu. Je vhodný pro ventilátory a čerpadla, kde je důležitější průtok než tlak. Udrží plný rozsah krouticího momentu v rozsahu přibližně ½ skluzu motoru (v podstatě zpoždění statoru za rotorem), ale nemusí být schopen udržet krouticí moment pod 2 Hz.

2. Bezsenzorový vektor (SV)

Poskytuje vyšší rozběhový moment a regulaci otáček v rozsahu ¼ skluzu motoru. Je vhodný pro čerpadla do hlubokých vrtů a pro aplikace s vysokým konstantním krouticím momentem (při použití této metody regulace je třeba použít automatické ladění).

3. Vektor magnetického toku (otevřená smyčka)

Zlepšuje parametr V/Hz tím, že poskytuje regulaci velikosti a úhlu. Díky snímání magnetického toku a orientace motoru umožňuje tato metoda přesnější řízení otáček a krouticího momentu motoru.

4. Vektor uzavřené smyčky

Tato metoda využívá snímač namontovaný na motoru, který odesílá údaje o poloze a otáčkách hřídele zpět do měniče. Pomocí této metody může motor vyvinout plný krouticí moment při nulových otáčkách. Je ideální pro jeřáby a kladkostroje. Některé z nich se vzájemně ovlivňují a jiné znemožňují použití různých parametrů. Například nastavení regulace krouticího momentu vylučuje možnost automatického ladění.

Parametr VFD č. 8: Chytré parametry

Mnoho VFD dnes obsahuje řadu „chytrých“ funkcí, které mohou pomoci dále zvýšit účinnost a životnost motoru. Protože se však tyto funkce u jednotlivých jednotek liší, často se setkáváme s tím, že mnohé z nich nejsou dostatečně využívány. Některé měniče například obsahují senzory, které sledují, kolik energie je potřeba k dosažení určitých otáček.

Některé jednotky mohou být také vybaveny schopností provádět určité akce na základě spouštěcí podmínky. Například měnič připojený k čerpadlu může na základě množství energie potřebné k pohybu kapaliny potrubím zjistit, že se potrubí začíná ucpávat. „Chytrý“ měnič by mohl být naprogramován tak, aby dočasně zvýšil výkon ve snaze uvolnit potrubí.

Pokud jsou tyto chytré funkce specifické pro výrobce správně pochopeny a implementovány, je možné zlepšit energetickou účinnost a proaktivně provádět některé úkoly údržby. Pokud jsou tyto vlastnosti nastaveny v kombinaci s výše uvedenými řídicími charakteristikami, mohou uživatelé z měniče získat dokonce vyšší výkon bez ohledu na to, zda pracuje na nízké nebo vysoké úrovni.

Kurt Niehaus, autor tohoto článku, je manažer prodeje a Will Young je technik ve společnosti Applied Control Engineering, obsahového partnera vydavatelství CFE Media and Technology. Tento článek vyšel na webových stránkách Applied Control Engineering ve dvou dílech. Upravil Chris Vavra, ředitel pro webový obsah časopisu Control Engineering, CFE Media and Technology, Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript..