Vysvětlení změn 5 nejdůležitějších parametrů frekvenčních měničů

Obrázek 1: Frekvenční měniče mají předem nakonfigurovaná nastavení přetížení, která zohledňují mnoho různých typů motorů, včetně zátěží s proměnným krouticím momentem v rozsahu otáček 40:1, zátěží s konstantním krouticím momentem v rozsahu otáček 100:1 a dokonce i nekonvenčních motorů, jako jsou motory s permanentními magnety. Všechny obrázky poskytla společnost: Yaskawa America. Obrázek 1: Frekvenční měniče mají předem nakonfigurovaná nastavení přetížení, která zohledňují mnoho různých typů motorů, včetně zátěží s proměnným krouticím momentem v rozsahu otáček 40:1, zátěží s konstantním krouticím momentem v rozsahu otáček 100:1 a dokonce i nekonvenčních motorů, jako jsou motory s permanentními magnety. Všechny obrázky poskytla společnost: Yaskawa America.

Při programování frekvenčních měničů (VFD) pro většinu průmyslových aplikací jsou k ovládání motoru potřeba pouze nejzákladnější nastavení. Pochopte změny těchto 5 níže popsaných parametrů VFD, abyste optimalizovali jejich programování.

Frekvenční měniče (VFD) jsou elektronická zařízení používající rychle působící spínače nebo bipolární tranzistor s izolovaným hradlem (IGBT) pro převod třífázové vstupní elektrické energie na výstup s proměnnou frekvencí a napětím pro řízení otáček motoru. Nastavení VFD zahrnuje programování a u většiny aplikací stačí změny pěti parametrů.

Prostřednictvím VFD mohou být elektromotory použity k provozování široké škály aplikací k dosažení kontroly, která není možná při provozu s přímým ovládáním nebo použitím mechanických prostředků. S motory řízenými VFD mohou uživatelé optimalizovat účinnost systému přizpůsobením otáček motoru tak, aby byly splněny přesné požadavky systému. Většina aplikací VFD zvyšuje účinnost systému a poskytuje návratnost investice do VFD v podobě úspor energie obvykle za méně než rok.

Stejně jako u veškeré elektroniky mají VFD pokročilé schopnosti a funkce, které poskytují větší kontrolu nad systémem, což pomáhá eliminovat externí zařízení a programovatelné automaty (PLC). Vzhledem k těmto inovacím je pochopitelné, že uživatel může mít obavu z komplikovanosti programování VFD pro danou aplikaci. Nicméně většina aplikací potřebuje pro ovládání motoru jen nejzákladnější nastavení. Je to proto, že VFD jsou navrženy a zkonstruovány tak, aby komplikované operace usnadňovaly.

Ve většině případů bude výchozí nastavení VFD pro aplikaci dostatečné a nebude vyžadovat úpravy. Obvykle se pro danou aplikaci neupravuje více než deset nastavení. Podívejte se na seznam pěti nejdůležitějších nastavení parametrů, které programují instalátoři VFD.

  1. Vliv způsobu ovládání

Jaký je způsob ovládání VFD? Prvním nastavením, které obvykle nastavují instalátoři VFD, je způsob ovládání. Způsob ovládání určuje schopnosti pohonu regulovat otáčky motoru. Tyto schopnosti řízení lze rozdělit do tří skupin: řízení Volt-Hertz, bezsenzorové vektorové řízení a vektorové řízení v uzavřené smyčce.

Řízení Volt-Hertz (V/f) je nejběžněji používanou metodou řízení motoru. Je nejzákladnější ze tří topologií.

Řízení V/f fixuje výstup měniče na předem definovanou křivku napětí a frekvence, kterou má motor sledovat při úpravě příkazu otáček VFD. Tyto vzorce V/f lze upravit tak, aby poskytovaly vysoký počáteční krouticí moment, nebo snížit, aby se optimalizovala účinnost pro zátěže s proměnným krouticím momentem, které nevyžadují vztahy mezi konstantním napětím a frekvencí.

Bezsenzorové vektorové řízení je metoda řízení, která poskytuje jemnější ladění rychlosti motoru. VFD mohou implementovat toto ovládání pomocí různých odlišných a komplikovaných schémat řízení. V podstatě se komplikované algoritmy používají k monitorování, interpretaci a reakci na aktuální zpětnou vazbu, aby se zajistilo přesné řízení motoru. Nejjednodušší způsob, jak si tuto metodu představit, je vidět ji jako přesné ovládání motoru bez potřeby enkodéru.

Vektorové řízení v uzavřené smyčce je nejpokročilejší dostupnou metodou řízení motoru. Jak název napovídá, vektorové řízení v uzavřené smyčce využívá enkodér motoru k poskytování přesné zpětné vazby rychlosti a eliminaci jakékoli chyby v řízení VFD generované reakcí na aktuální zpětnou vazbu. Přidání enkodéru říká VFD, co motor dělá, a jak reaguje na zátěž. 

Proč upravovat způsob ovládání?

Úprava způsobu ovládání je funkcí plnění potřeb aplikace motoru-pohonu. Některé aplikace jsou jednoduché a stačí je provozovat pouze s přibližnými otáčkami, zatímco jiné vyžadují přesné a dynamické ovládání motoru. Každé z těchto řídicích schémat plní potřeby aplikace a/nebo omezuje programování potřebné k zachování systému v chodu.

Regulace V/f se běžně používá u systémů, které nevyžadují přesnou regulaci otáček, jako jsou ventilátory nebo čerpadla. U nejzákladnějších metod řízení V/f může mít motor skluz (drift) od požadovaných otáček. Mírná změna otáček má jen malý vliv na celkový výkon systému, protože jiné programování měniče upraví otáčky tak, aby byla naplněna poptávka systému.

Pokud je například ventilátor požádán, aby běžel na poloviční otáčky, a nemůže poptávku plnit, pak většina konfigurací systému prostřednictvím proporcionálně-integrační (PI) smyčky VFD nebo pomocí externího zařízení zvýší příkaz otáček, aby poskytl motoru potřebné otáčky k naplnění poptávky. Řízení V/f je nejčastěji používanou metodou řízení, protože k implementaci vyžaduje jen malé nebo žádné programování.

Většina výrobců pohonů má díky mnohaletým zkušenostem s aplikacemi již nakonfigurovaná svá výchozí nastavení pro většinu aplikací s čerpadly a ventilátory. Tyto výchozí hodnoty nabízejí optimální úspory energie s malými až žádnými nároky na programování. Dokonce i aplikace bez proměnného krouticího momentu, jako je například kompresor, mohou pro snadné nastavení využívat řízení V/f.

Metody bezsenzorového vektorového řízení zlepšují řízení procesu a snižují nároky na údržbu. Například bezsenzorové vektorové řízení reguluje otáčky motoru s přesností na 1/200 jmenovitých otáček motoru, poskytuje dynamické řízení otáček, vysoký počáteční krouticí moment až do nízkých otáček a omezuje proud a krouticí moment bez externích zařízení. K zajištění těchto pokročilých možností řízení motoru vyžaduje VFD specifické informace o charakteristice motoru, jako je proud, odpor a indukčnosti při chodu motoru bez zátěže.

K získání těchto informací VFD projde jednoduchým vyladěním motoru, které vyžaduje zadání základních údajů z typového štítku motoru, jako je jmenovitý proud, napětí a otáčky, které se zadávají pomocí klávesnice. Tento způsob ovládání se nejvíce osvědčuje v aplikacích, jako jsou mixéry, pračky a děrovací/razicí lisy.

Vektorové řízení v uzavřené smyčce přidává zpětnovazební signál otáček pro maximalizaci řízení procesu a minimalizaci údržby. Vektorové řízení v uzavřené smyčce umožňuje přesné řízení otáček až do jedné otáčky za minutu, vysoký počáteční krouticí moment při nulových otáčkách, řízení nulových otáček a regulaci krouticího momentu. Tyto funkce se používají v aplikacích, které se nemohou odchylovat o více než několik otáček za minutu, jinak by výstup produktu nesplňoval projektované specifikace.

Například mnoho extrudérů používá zpětnou vazbu enkodéru k udržení otáček motoru podle přesných požadavků, aby bylo zajištěno, že produkt splňuje své specifikace. Zpětná vazba enkodéru také zajišťuje přesné monitorování krouticího momentu, aby umožnila VFD reagovat na podmínky za vysokého krouticího momentu, které by mohly ucpat nebo poškodit stroj. Stejné požadavky na ladění motoru jako u bezsenzorového vektorového řízení jsou požadovány i u vektorového řízení v uzavřené smyčce za účelem optimalizace řízení motoru a omezení kompenzace požadované zpětnou vazbou enkodéru.

Čím lépe VFD rozumí vlastnostem motoru, tím lépe může motor běžet. To platí se zpětnou vazbou od motoru i bez ní. Vektorové řízení v uzavřené smyčce se osvědčuje v aplikacích, jako jsou extrudéry, vysokorychlostní soustruhy a odvíječe s konstantním napětím.

  1. Proud motoru při plném zatížení (FLA)

Co je to proud motoru při plném zatížení? Protože většina nastavení metod řízení VFD je pro nejběžnější aplikace již přednastavena, skutečným prvním nastavením programovaným jakýmkoli instalátorem VFD je nastavení proudu motoru při plném zatížení (FLA) nebo jmenovitého proudu motoru. Motory jsou navrženy tak, aby umožňovaly nepřetržitý provoz při jmenovitých proudech podle typového štítku při provozování na jmenovitý výkon a při jmenovitém napětí. Nastavení hodnoty FLA motoru do VFD konfiguruje elektronickou ochranu proti tepelnému přetížení VFD pro ovládaný motor.

Přestože VFD jsou přirozené náběhové spouštěče, motory mohou krátkodobě překročit své jmenovité proudy, například během startu, nárazového zatížení, rychlého zpomalení nebo nadměrného cyklování aplikace. Vysoké proudy po dlouhou dobu však povedou k nadměrnému zahřátí motoru, což může vést ke zkrácení jeho životnosti a předčasnému selhání. Může rovněž dojít k zablokování rotoru v důsledku mechanického poškození zátěže nebo spojky. V průběhu času může také opotřebení zátěže vést ke zvýšenému odběru proudu, který může přesahovat FLA motoru.

Pro ochranu před selháním motoru by měla být hodnota FLA motoru nastavena ve frekvenčním měniči podle hodnoty FLA na typovém štítku motoru. Aktivace elektronické ochrany proti tepelnému přetížení VFD v měniči splňuje požadavek na ochranu motoru proti přetížení vyžadovaný národními elektrickými předpisy (NEC) a místními předpisy.

Použití elektronické ochrany proti tepelnému přetížení VFD umožňuje uživateli eliminovat mechanické přetížení motoru, což eliminuje náklady, potenciální bod selhání a jakékoli požadavky na údržbu spojené s udržováním integrity kontaktů ochrany proti přetížení.

Funkce elektronické ochrany proti přetížení VFD odhaduje úroveň přetížení motoru na základě výstupního proudu, výstupní frekvence, tepelných charakteristik motoru a času. Když VFD detekuje přetížení motoru, aktivuje se porucha a výstup VFD se vypne, aby chránil motor před tepelným selháním.

Tyto křivky přetížení lze nastavit podle schopností motoru. Mnoho motorů ventilátorů nebo čerpadel je navrženo pro zatížení proměnným krouticím momentem, což znamená, že nejsou konstruovány pro jmenovitý proud při snížených otáčkách.

K dispozici je nastavení sníženého trvalého přetížení, které snižuje nároky na údržbu a zajišťuje maximální provozní životnost motoru. Frekvenční měniče mají předem nakonfigurovaná nastavení přetížení, která zohledňují mnoho různých typů motorů, včetně zátěží s proměnným krouticím momentem v rozsahu otáček 40:1, zátěží s konstantním krouticím momentem v rozsahu otáček 100:1 a nekonvenčních motorů, jako jsou motory s permanentními magnety (viz obrázek 1).

  1. Doby zrychlení a zpomalení

Co jsou to doby zrychlení a zpomalení u systému motor-pohon? VFD jsou přirozené náběhové spouštěče. Omezují nárazový proud při změně otáček. Za tímto účelem VFD spouští a zastavuje motor na základě naprogramovaných dob zrychlení a zpomalení. Tyto doby neboli náběhové rychlosti určují, jak dlouho bude trvat, než se pohon dostane z nulových otáček na maximální frekvenci. Mohou existovat pevně stanovené rychlosti nebo více sad rychlostí, které se upravují na základě provozních podmínek nebo prostřednictvím příkazů odeslaných do VFD (viz obrázek 2).

2Obrázek 2: Použití vhodné doby zrychlení a zpomalení výrazně sníží nárazový proud motoru při startu a proudové rázy při změně otáček. Menší nárazový proud zvyšuje životnost motoru (méně tepla) a hnacího ústrojí (méně dynamických změn vysokého krouticího momentu). VFD také izoluje tyto proudy od vedení.

Použití vhodné doby zrychlení a zpomalení výrazně sníží nárazový proud při startu a proudové rázy při změně otáček. To vede ke zvýšení životnosti motoru (méně tepla) a hnacího ústrojí (méně dynamických změn vysokého krouticího momentu). VFD také izoluje tyto proudy od vedení. Není tedy nutné, aby transformátor dodával velké proudové rázy, které by mohly způsobit zbytečné zahřívání nebo ovlivnit jeho napájecí napětí, což by mohlo ovlivnit výkon VFD nebo jiných zátěží systému. Nižší nárazové proudy znamenají eliminaci poplatků rozvodné společnosti za proudové/odběrové rázy.

VFD jsou standardně nastaveny na nejčastěji používané doby zrychlení a zpomalení na základě zamýšlené aplikace. Pohony ventilátorů nebo čerpadel mívají delší doby náběhu, zatímco průmyslové pohony pro všeobecné použití mívají kratší doby náběhu. To přispívá ke zjednodušení procesu instalace. Ne všechny výchozí hodnoty však fungují pro každou aplikaci. Může být zapotřebí upravit tyto doby náběhu, aby se proud udržel v mezích pohonu a motoru.

Na základě setrvačnosti zátěže je možné spustit / zastavit zátěž rychleji, než je povoleno, na základě aktuálních schopností pohonu/motoru. Agresivní rychlosti zrychlení / zpomalení povedou k vyšším proudům, které mohou zatěžovat pohon a motor a vést k poruchám z důvodu přetížení nebo nadproudu. Nastavení správné doby zrychlení a zpomalení zajišťuje správný výkon systému a zároveň zajišťuje bezchybný provoz. Otočné body v křivce zrychlení / zpomalení se vyskytují na začátku a na konci každého náběhu.

Jsou to místa, kde je k dosažení požadovaného pohybu motoru zapotřebí nejvyšší krouticí moment nebo proud. Takže v situacích, kdy celkové doby náběhu musí zůstat nízké, lze provést úpravy těchto bodů, aby se snížila celková doba náběhu. Tyto body se nazývají úpravy časování trhání nebo s-křivky. Tato nastavení prodlužují dobu v bodech nejvyššího namáhání náběhu zrychlení a zpomalení, aby se snížil dopad na celkové doby startu / zastavení (viz obrázek 3).

3Obrázek 3: Otočné body v křivce zrychlení / zpomalení se vyskytují na začátku a na konci každého náběhu, a je v nich k dosažení požadovaného pohybu motoru zapotřebí největší krouticí moment nebo proud. Když celkové doby náběhu musí zůstat nízké, lze provést úpravy těchto bodů, aby se snížila celková doba náběhu. Tyto body se nazývají úpravy časování trhání nebo s-křivky.

  1. Zdroje reference otáček a běhu

Co jsou to zdroje reference otáček a běhu? VFD vyžaduje v každém okamžiku své činnosti dvě věci: příkaz k běhu a referenci otáček. Příkaz k běhu říká měniči, že by měl ovládat motor, zatímco reference otáček sděluje VFD, jakou frekvencí má běžet. K zajištění ovládání motoru jsou nutné oba údaje. Jinak je motor v nečinnosti. Nastavení nebo nedostatečné nastavení je jedním z nejběžnějších důvodů volání technické podpory při odstraňování problémů, které instalátor VFD provádí.

Nastavení příkazu otáček a běhu VFD je více o tom, jak uživatel chce, aby motor běžel a méně o tom, zda má motor běžet či nikoliv. Většina výrobců pro své pohony volí výchozí nastavení pro ovládání z digitálních a analogových vstupů. K pohonu jsou přiváděny vodiče z kontaktů a relé za účelem provádění příkazu k běhu pohonu. K přivádění referenčního signálu otáček do pohonu jsou pak používány analogové vstupy. Těmito analogovými referencemi mohou být signály 0–10 V DC, ±10 V DC, 0–20 mA nebo 4–20 mA. Každý zdroj reference má své výhody. Napěťová reference je snadno generovatelná a snadno pochopitelná, zatímco proudové signály se šíří na delší vzdálenosti, aniž by byly snadno ovlivněny blízkým elektrickým rušením. Další možností je přímé ovládání pomocí klávesnice nebo prostřednictvím síťové komunikace.

Každá z těchto referencí poskytuje VFD přesný údaj o otáčkách potřebných k chodu motoru. Čím přesnější je reference otáček motoru VFD, tím přesnější je VFD při plnění poptávky systému. Přesné plnění poptávky systému znamená vyšší úspory energie dosahované VFD. Cílem každého příkazového rozhraní je dosáhnout řízení potřebného pro systém, které maximalizuje účinnost, kvalitu a bezpečnost.

  1. Resetování poruch

Co je resetování poruch ve VFD? Může nastat mnoho situací mimo měnič, jejichž důsledkem mohou být provozní podmínky mimo specifikaci měniče. Za účelem zachování životnosti produktu a prevenci selhání frekvenční měniče využívají a aktivují poruchy, aby se ochránily. Mezi příklady situací, které mohou způsobit poruchu VFD, patří agresivní doby spouštění, agresivní doby zastavování, výpadky napájení a zablokování rotoru.

Mnoho VFD obsahuje funkci automatického resetování poruch. Tato funkce umožňuje měniči detekovat stav mimo rozsah jeho programování a aktivovat poruchu, aby chránila měnič, motor a zbytek mechanického systému. Funkce resetování poruchy umožňuje uživateli detekovat události a po jejich eliminaci resetovat měnič zpět do normálního provozu. Účelem automatického resetování je zamezit generování obtěžujících poruch a udržovat nepřetržitý provoz. Odstávky stojí peníze a funkce automatického resetování umožňuje systému udržovat provoz v případě událostí, které nebyly považovány za nutné k zastavení výroby, dokud nebudou přezkoumány certifikovaným personálem.

Příkladem toho může být napěťová špička způsobená bouřkou. Jedná se o vzácné případy, které by neměly vyžadovat další analýzu. Pohon v takové situaci přestal pracovat, čímž se ochránil. Funkce automatického resetování umožňuje znovu nastartovat pohon bez zásahu uživatele, což šetří čas a peníze. 

Nezapomeňte nastavit 5 nejdůležitějších parametrů VFD

Existuje mnoho způsobů, jak implementovat technologii VFD k automatizaci potřeb řízení motoru. Nastavení VFD může být komplikované, ale většina aplikací vyžaduje pro uvedení do provozu jen několik úprav. U VFD byl navíc zjednodušen proces instalace. Jedním ze způsobů je použít rutiny spouštění aplikací nebo průvodce. Tyto rutiny provádějí instalátora procesem programování pohonu pomocí menu s otázkami a odpověďmi, aby bylo zajištěno, že aplikace je naprogramována pro požadovaný provoz. VFD jsou navrženy pro snadné použití a maximalizaci návratnosti investice (ROI) prostřednictvím optimalizace efektivity, kvality a bezpečnosti.

Christopher Jaszczolt je produktový manažer společnosti Yaskawa America. Upravil Mark T. Hoske, obsahový ředitel časopisu Control Engineering, CFE Media and Technology, Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript..

Řízení a údržba průmyslového podniku

Časopis Řízení a údržba průmyslového podniku již přes 10 let patří mezi neodmyslitelný zdroj informací v oblasti průmyslové údržby a diagnostiky. Část obsahu je z pera licenčních autorů Plant Engineering z USA.

www.udrzbapodniku.cz