1. Úvod do střídavých měničů (frekvenčních měničů) V oblasti moderního průmyslového řízení a......
ČTĚTE VÍCEElektrický pohon je systém, který využívá elektrickou energii k řízení rychlosti, točivého momentu a směru motorem poháněného mechanického zatížení. Na své nejzákladnější úrovni se elektrický pohon skládá ze tří základních prvků: zdroje energie, jednotky pro přeměnu energie (jako je frekvenční měnič nebo regulátor motoru) a elektromotoru, který přeměňuje elektrickou energii na mechanický pohyb. Pohonný systém řídí, jak je elektrická energie dodávána do motoru, což umožňuje přesné, efektivní a citlivé řízení výstupu – ať už jde o otáčení dopravního pásu, otáčení oběžného kola čerpadla, zrychlování vozidla nebo pohon robotického ramene.
To, co odlišuje moderní elektrický pohon od pouhého připojení motoru přímo ke zdroji, je inteligence zabudovaná v řídicí jednotce. Přímé připojení motoru poskytuje okamžitě plné napětí a frekvenci, takže motoru nedává jinou možnost než pracovat při jedné pevné rychlosti bez schopnosti modulovat točivý moment nebo se přizpůsobovat měnícím se podmínkám zatížení. Elektrický pohonný systém vkládá mezi napájecí zdroj a motor programovatelný ovladač, který umožňuje plynulé nastavení napětí, proudu a frekvence v reálném čase na základě zpětnovazebních signálů ze snímačů monitorujících rychlost, zatížení, teplotu a polohu. Tato ovladatelnost je určující výhodou technologie elektrického pohonu oproti mechanickým alternativám s pevnou rychlostí.
Pochopení toho, co tvoří systém elektrického pohonu, je nezbytné pro každého, kdo jej specifikuje, uvádí do provozu nebo udržuje. I když se konkrétní architektury liší podle aplikace, většina systémů elektrického pohonu sdílí společnou sadu funkčních komponent, které spolupracují a poskytují řízený mechanický výstup.
V systémech elektrického pohonu napájených střídavým proudem je přicházející střídavý proud ze sítě nejprve přeměněn na stejnosměrný proud pomocí usměrňovacího obvodu. Tento stupeň stejnosměrné sběrnice ukládá energii do kondenzátorů a poskytuje stabilní střední napětí, které může stupeň měniče měniče modulovat do přesné výstupní vlny, kterou motor vyžaduje. Kvalita tohoto usměrňovacího stupně přímo ovlivňuje charakteristiku harmonického zkreslení měniče a jeho kompatibilitu s elektrickou sítí. Vysoce výkonné elektrické pohony obsahují aktivní přední usměrňovače, které snižují harmonické vstřikované zpět do napájení a umožňují rekuperační brzdění – přivádějící energii zpět do sítě, když motor zpomaluje.
Měnič je srdcem proměnné rychlosti elektrický pohon . Využívá napětí stejnosměrné sběrnice a využívá sadu spínacích tranzistorů – typicky bipolární tranzistory s izolovaným hradlem (IGBT) – k rekonstrukci střídavého výstupu s proměnnou frekvencí a proměnným napětím pomocí techniky nazývané modulace šířky pulzu (PWM). Rychlým zapínáním a vypínáním tranzistorů tisíckrát za sekundu měnič syntetizuje hladký, řiditelný střídavý průběh, který motor interpretuje jako skutečné sinusové napájení. Změnou výstupní frekvence se změní rychlost motoru; změna výstupního napětí v poměru k frekvenci udržuje konstantní tok motoru a kapacitu točivého momentu v celém rozsahu otáček. Spínací frekvence měniče PWM – typicky mezi 2 kHz a 16 kHz – ovlivňuje jak slyšitelný hluk produkovaný motorem, tak spínací ztráty v samotném měniči.
Mikroprocesor nebo DSP (digitální signálový procesor) v elektrickém pohonu provádí řídicí algoritmus, který převádí žádanou hodnotu rychlosti nebo točivého momentu na přesné povely spínání měniče. U jednodušších skalárních (V/f) řídicích pohonů si procesor udržuje pevný poměr napětí a frekvence a na změny zátěže reaguje poměrně pomalu. U sofistikovanějších pohonů s vektorovým řízením nebo přímým řízením točivého momentu (DTC) procesor nepřetržitě vypočítává okamžitou polohu a velikost magnetického toku motoru a složek proudu produkujících krouticí moment, což umožňuje odezvu na dynamické změny zatížení v řádu milisekund. Zpětná vazba k procesoru pochází z proudových snímačů v měniči a volitelně z externího kodéru nebo resolveru namontovaného na hřídeli motoru pro přesné měření polohy a rychlosti.
Motor je výstupní zařízení systému elektrického pohonu, přeměňující řízenou elektrickou energii z pohonu na mechanické otáčení hřídele. Nejběžnějším typem motoru používaného u elektrických pohonů s proměnnou rychlostí je třífázový indukční motor (také nazývaný asynchronní motor), který je robustní, nenáročný na údržbu a je dostupný v obrovském rozsahu jmenovitých výkonů a velikostí rámu. Synchronní motory s permanentními magnety (PMSM) se stále více používají v průmyslových i automobilových aplikacích elektrických pohonů, kde je prioritou vysoká hustota výkonu, vysoká účinnost v širokém rozsahu otáček a kompaktní velikost. Spínané reluktanční motory a synchronní motory s vinutým rotorem se používají ve specializovaných aplikacích elektrického pohonu s vysokým výkonem nebo v drsném prostředí.
Technologie elektrických pohonů zahrnuje několik odlišných architektur systému, z nichž každá je vhodná pro různé požadavky na výkon, typy motorů a aplikační prostředí. Níže uvedená tabulka shrnuje hlavní typy elektrických pohonů a jejich klíčové vlastnosti.
| Typ pohonu | Kompatibilita motoru | Kontrolní metoda | Typické aplikace |
| Pohon s proměnnou frekvencí (VFD) | AC indukce, PMSM | U/f skalární, vektorové řízení | Čerpadla, ventilátory, dopravníky, HVAC |
| Servopohon | PMSM, bezkomutátorový DC | Vektor s uzavřenou smyčkou, zpětná vazba kodéru | CNC stroje, robotika, balení |
| DC pohon | Stejnosměrný kartáčovaný motor | Fázové řízení tyristor/SCR | Legacy industrial, jeřáby, extrudery |
| Krokový pohon | Krokový motor | Krok/směr s otevřenou smyčkou | 3D tiskárny, plotry, malé polohování |
| Trakční pohon (EV) | PMSM, indukční motor | Řízení orientované na pole (FOC) | Elektromobily, elektrokola, vlaky |
| Regenerační pohon | AC indukce, PMSM | Aktivní přední část, čtyřkvadrantová | Výtahy, zkušební zařízení, větrné turbíny |
Elektrická pohonná jednotka v bateriovém elektrickém vozidle (BEV) je jednou z nejkritičtějších a technicky nejsofistikovanějších aplikací technologie elektrického pohonu, která dnes existuje. Automobilový elektrický pohonný systém musí poskytovat plynulý, okamžitý točivý moment z klidu, udržovat vysoký výkon po dlouhou dobu, pracovat efektivně v obrovském rozsahu rychlostí, přežít desetiletí vibrací a teplotních cyklů a musí vyhovovat extrémně přísným omezením balení – to vše současně.
V bateriovém elektrickém vozidle dodává vysokonapěťová bateriová sada (obvykle 400 V nebo 800 V) stejnosměrný proud do trakčního měniče, který jej převádí na třífázový střídavý proud s frekvencí a napětím potřebným k vytvoření točivého momentu řízeného řidičem. Trakční měnič využívá řízení orientované na pole (FOC) k nezávislé regulaci proudových složek produkujících tok a točivý moment v motoru, což umožňuje přesné dodávání točivého momentu i při velmi nízkých otáčkách. Výstupní hřídel motoru se připojuje k jednostupňové redukční převodovce – elektromotory produkují užitečný točivý moment ve velmi širokém rozsahu otáček, čímž se eliminuje potřeba vícestupňové převodovky – a odtud k hnaným kolům přes diferenciál nebo v některých architekturách přes jednotlivé motory v kolech.
Jednou z nejvýznamnějších výhod energetické účinnosti systémů elektrického pohonu ve vozidlech je rekuperační brzdění. Když řidič zvedne plyn nebo sešlápne brzdu, trakční pohon přikáže motoru, aby fungoval jako generátor, přeměňuje kinetickou energii vozidla zpět na elektrickou energii a dodává ji zpět do baterie. Měnič pracuje v obráceném toku energie, přičemž motor nyní vytváří brzdný moment, přičemž působí jako elektrický zdroj. V městských jízdních cyklech s častým zrychlováním a zpomalováním může rekuperační brzdění získat zpět 15 % až 25 % celkové spotřebované energie, což výrazně prodlužuje dojezd ve srovnání s tím, čeho by bylo dosaženo při samotném brzdění třením.
Elektromobily základní úrovně obvykle používají jedinou elektrickou pohonnou jednotku pohánějící buď přední nebo zadní nápravu. Dvoumotorové konfigurace — s jednou pohonnou jednotkou na nápravu — poskytují schopnost pohonu všech kol a umožňují systému řízení vozidla nezávisle řídit točivý moment na každé nápravě pro vynikající trakci a dynamiku. Některé vysoce výkonné elektromobily používají tři nebo dokonce čtyři samostatné pohonné jednotky, jednu na každé kolo, což umožňuje vektorování točivého momentu se stupněm přesnosti, kterému se žádný mechanický diferenciální systém nevyrovná. Nezávislá ovladatelnost každé elektrické pohonné jednotky je zásadní výhodou, kterou mají elektrifikované pohonné jednotky oproti konvenčním mechanickým systémům.
Průmyslové elektrické pohony – především pohony s proměnnou frekvencí ovládající střídavé indukční motory – představují podstatnou část celosvětové průmyslové spotřeby elektřiny. Podle Mezinárodní energetické agentury spotřebují systémy elektromotorů zhruba 45 % veškeré elektřiny vyrobené na celém světě a většina této spotřeby je v průmyslovém prostředí. Nahrazení přímých spouštěčů motoru s pevnými otáčkami elektrickými pohony s proměnnými otáčkami nabízí jedny z nejhospodárnějších úspor energie dostupných v průmyslových provozech.
U odstředivých zátěží – čerpadel, ventilátorů, kompresorů a dmychadel – se vztah mezi otáčkami motoru a spotřebou energie řídí zákony afinity: spotřeba energie je úměrná třetí mocnině poměru otáček. To znamená, že snížení rychlosti motoru čerpadla ze 100 % na 80 % plné rychlosti snižuje spotřebu energie na přibližně 51 % hodnoty plné rychlosti (0,8³ = 0,512). Snížení rychlosti na 60 % snižuje spotřebu na pouhých 22 % plné rychlosti. V čerpacích a HVAC systémech, kde se poptávka po průtoku mění v průběhu dne nebo roku, může výměna motorového pohonu s pevnou rychlostí za elektrický pohon s proměnnou rychlostí snížit spotřebu energie o 30 % až 60 % s dobou návratnosti často kratší než dva roky při typických průmyslových tarifech za elektřinu.
Kromě úspory energie chrání elektrické pohony s proměnnými otáčkami jak motor, tak poháněný mechanický systém eliminací vysokého zapínacího proudu a rázového točivého momentu spojených s přímým spouštěním. Když je motor spuštěn přímo za chodu, odebírá během prvních několika sekund šestinásobek až desetinásobek proudu při plném zatížení a aplikuje impulsní špičku točivého momentu na mechanický systém. Postupem času tyto opakované mechanické rázy zatěžují spojky, převodovky, dopravníkové pásy, potrubní spoje a oběžná kola čerpadel. Startování pomocí elektrického pohonu – plynulé zrychlení po naprogramované akcelerační rampě – snižuje špičkový startovací proud na 100 % až 150 % proudu při plném zatížení a zcela eliminuje špičku točivého momentu, čímž se měřitelně prodlužuje životnost celého hnacího ústrojí.
Ať už vybíráte průmyslový pohon s proměnnými otáčkami pro aplikaci čerpadla nebo hodnotíte systém elektrického pohonu ve vozidle, je nejdůležitější pochopit a přizpůsobit požadavkům vaší aplikace následující specifikace.
V mnoha průmyslových a mobilních zařízeních systémy elektrického pohonu přímo konkurují hydraulickým a mechanickým alternativám pohonu. Každá technologie má skutečné silné a slabé stránky a správný výběr závisí na konkrétních požadavcích aplikace. Níže uvedené srovnání zdůrazňuje hlavní praktické rozdíly.
| Kritéria | Elektrický pohon | Hydraulický pohon | Mechanický pohon |
| Účinnost | Vysoká (85–97 %) | Střední (60–80 %) | Vysoká (pevný poměr) |
| Ovladatelnost rychlosti | Vynikající (široký sortiment) | Dobře | Omezené (pevné nebo stupňovité) |
| Hustota výkonu | vysoká (PMSM) | Velmi vysoká | Mírný |
| Údržba | Nízká | Vysoká (těsnění, kapalina, filtry) | Mírný (lubrication, wear parts) |
| Čistota | Čisté, žádné riziko kapaliny | Nebezpečí úniku a požáru | Čistý |
| Úroveň hluku | Nízká to moderate | Vysoká (hluk čerpadla, ventilu) | Mírný |
| Dálkové ovládání | Výborně | Mírný | Chudák |
I ten nejlepší elektrický pohonný systém bude mít nedostatečnou výkonnost nebo předčasně selže, pokud je nesprávně nainstalován nebo uveden do provozu. Následující body pokrývají nejkritičtější požadavky na instalaci a nastavení průmyslových elektrických pohonů.
Elektrické pohony generují během provozu teplo – především ze spínacích ztrát v IGBT invertoru a ztrát vedením v silovém obvodu. Většina měničů je navržena pro provoz v rozsahu okolních teplot 0 °C až 40 °C (32 °F až 104 °F) při plném jmenovitém proudu. Při okolní teplotě nad 40 °C musí být měnič snížen – provozován se sníženým výstupním proudem – aby se udržely teploty vnitřních součástí v bezpečných mezích. Zajistěte, aby byl měnič namontován na místě s dostatečnou cirkulací vzduchu, s požadovaným volným prostorem nad a pod jednotkou pro proudění chladicího vzduchu, jak je uvedeno v instalační příručce výrobce, a že ovládací panel nebo skříň má dostatečnou ventilaci nebo chlazení s nuceným oběhem vzduchu pro celkový odvod tepla všech nainstalovaných měničů.
Výstupní křivka PWM elektrického pohonu s proměnnou rychlostí obsahuje vysokofrekvenční napěťové složky, které mohou způsobit problémy při dlouhých kabelech k motoru. Efekty odrazu napětí v dlouhých motorových kabelech (typicky definované jako přesahující 50 metrů pro měniče bez výstupní tlumivky) mohou způsobit špičková napětí na svorkách motoru výrazně vyšší než napětí stejnosměrné sběrnice měniče, což zatěžuje izolaci vinutí motoru. U kabelů, které překračují limit udávaný výrobcem měniče bez omezení, nainstalujte na výstup měniče výstupní tlumivku (nazývanou také motorová tlumivka) nebo dV/dt filtr. Kromě toho zajistěte, aby byl kabel motoru stíněný (stíněný) se stíněním spojeným se zemí na konci měniče i motoru a aby byl kabel motoru veden odděleně od signálových a řídicích kabelů, aby se minimalizovalo elektromagnetické rušení (EMI).
Před prvním uvedením elektrického pohonu do provozu zadejte údaje z typového štítku motoru – jmenovité napětí, jmenovitý proud, jmenovitou frekvenci, jmenovité otáčky a účiník motoru – do sady parametrů měniče. Většina moderních měničů obsahuje automatickou identifikaci motoru nebo rutinu automatického ladění, která provádí motor řízenou testovací sekvencí a měří skutečné elektrické charakteristiky připojeného motoru, čímž optimalizuje interní řídicí parametry měniče pro daný konkrétní motor. Důrazně se doporučuje provést rutinu automatického ladění před uvedením systému do provozu, zejména u pohonů s vektorovým řízením, protože výrazně zlepšuje přesnost regulace rychlosti a dynamickou odezvu točivého momentu ve srovnání se spoléháním se na odhadované parametry motoru pouze z typového štítku.
Technologie elektrických pohonů se rychle rozvíjí na mnoha frontách, poháněná elektrifikací dopravy, rostoucí automatizací v průmyslu a globálním tlakem na snižování spotřeby energie a emisí uhlíku. Příští generaci elektrických pohonných systémů tvoří několik klíčových změn.