Zmysluplný striedavý pohon v extrúzii plastov

Za relatívne krátky čas prerástli striedavé motory a pohony na dominantnú technológiu trhu v oblastiach, ktorým ešte prednedávnom neochvejne vládli jednosmerné pohony. S pokrokom v elektronike a vo výpočtovej technike a s nástupom priameho momentového riadenia (DTC) spolu s použitím komplexných algoritmov sa striedavé pohony vyšvihli na alebo nad úroveň jednosmerných pohonov. Nové technologické systémové zmeny produktov, ktoré mnohé vyšli z vývojovej základne ABB, nachádzajú svoje miesto v rôznych odvetviach priemyselnej výroby. Platí to aj pre odvetvie spracovania plastov a gumy.
Zmysluplný striedavý pohon v extrúzii plastov

Dôvod bol jednoduchý. Jednosmerné motory boli jediným strojom schopným pri extrúzii plastov dosiahnuť vysoký záberový moment spojený s konštantným momentom na nízkych otáčkach, ktoré vyhovujú požiadavkám jednoduchej alebo dvojitej extrúzie. V skutočnosti jednosmerné motory pri zábere s viskóznymi polymérmi presahujú menovitý moment až o 400 %.

Prvé generácie striedavých motorov vysoký záberový moment potrebný pre extrúdery neposkytovali. Neposkytovali ani stabilnú reguláciu rýchlosti na nízkych otáčkach, požadovanú pri niektorých aplikáciách extrúzie. Vzhľadom na nevyhnutnosť vysokého prúdu pri nízkych otáčkach boli v tomto prevádzkovom stave striedavé motory neefektívne.

Svet sa mení

Pokrok a vývoj je však neuveriteľne rýchly. Striedavé motory a pohony sa stali prakticky štandardom pri nahradzovaní zastaraných jednosmerných motorov aj tu. V ľubovoľnom podniku plastovej extrúzie sú hlavnými nákladmi surový materiál, práca a energia. Minimálne dva z nich – práca a energia – sú ovplyvnené jednosmerným motorom a pohonom.

Nákladná údržba

Práca sa premieta do nákladov na údržbu. Jednosmerné motory, hlavne starnúce stroje, vyžadujú náročnú údržbu. Podstatnou časťou problému sú uhlíky, ktoré rotujú po komutátore, pričom zabezpečujú mechanickú komutáciu. Striedavý motor však využíva zásadne odlišný princíp bez použitia uhlíkov a je vo všeobecnosti lacnejší, odolnejší a okrem občasného premazania prakticky nevyžaduje údržbu. Údržba sama o sebe nie je však dostatočné odôvodnenie prechodu na striedavý pohon.

Stráženie prevádzkových nákladov

Najväčším dôvodom nahradzovania jednosmerného pohonu striedavým je znižovanie nákladov na prevádzku. Zdanlivý výkon (udávaný v kVA) je vždy väčší pri jednosmernom ako pri ekvivalentnom striedavom pohone. Na regulovanie otáčok jednosmerného motora sa využíva tyristorový usmerňovací mostík s riadeným zapínacím uhlom. Ten má z princípu svojej činnosti veľmi zlý celkový účinník v celom regulačnom rozsahu v porovnaní s moderným striedavým pohonom. Motor s nízkym účinníkom pri konkrétnej záťaži spotrebuje na rovnakú vykonanú prácu väčší prúd ako motor s vyšším účinníkom. Väčší prúd zvyšuje straty vo vedení a vyžaduje silnejšie káble a ostatné distribučné zariadenia. Celkovo zvyšuje spotrebu energie. K tomu si distribútori účtujú príplatky za zvýšený odber pri nízkom účinníku. V závodoch s veľmi nízkym účinníkom v mnohých prípadoch príplatok dosahuje 30 až 40 % ceny štandardnej kWh.

Striedavé pohony majú účinník v celom regulačnom rozsahu podstatne lepší a sú tak vhodnou alternatívou jednosmerného meniča, ktorá znižuje prúd i poplatky za rezervovaný výkon.

Potenciál úspory

Extrúzia je proces s konštantným momentom. To znamená, že po prekonaní prvotného vysokého odporu, ktorý kladie tekutý plast pri pretláčaní závitovou hlavou, má samotný proces extrúzie pomalý, lineárny priebeh. Na rozdiel od zariadení, ktoré uplatňujú kvadratický moment, ako čerpadlo, ventilátor a kompresor, extrúder pracuje na lineárnom vzťahu medzi rýchlosťou a výkonom. Úspory síce nie sú také výrazné, v každom prípade sú. Podľa vyjadrení viacerých prevádzkovateľov týchto zariadení, aj úspora pol percenta na 350 kW aplikácie v priebehu roka ušetrí v nemalej miere náklady na elektrickú energiu. Napríklad pri inštalácii striedavého pohonu s motorom IE4 SynRM od ABB na jednu z extrúznych liniek v závode na výrobu polyetylénových rúrok zákazník odhaduje úspory až 15 % ročne s návratnosťou investície do dvoch rokov.

Environmentálne normy

Úloha šetrenia energie v odvetví spracovania plastov je kľúčová. Väčšina výrobcov podpísala Parížsku dohodu o zmene klímy a je motivovaná spĺňať požiadavky na úspory energie a získavať kredity. Pre všetky firmy pohybujúce sa v tejto oblasti je najdôležitejším parametrom meranie spotrebovanej energie na kilogram vyprodukovaného produktu tak, aby ročne úspora dosiahla desaťpercentné zníženie. Pritom už implementovali projekty efektívneho osvetlenia aj nové systémy stlačeného vzduchu a chladenej vody. Najväčším spotrebiteľom energie je tu však extrúzia. Práve pre ňu si spoločnosti uvedomujú výhody prechodu na striedavý pohon.

Ďalšia generácia

Technologický pokrok neustáva, v súčasnosti už nové technológie vytláčajú dokonca aj štandardné striedavé motory a pohony. K takým patrí aj pohon SynRM od ABB, ktorý je založený na synchrónnom reluktančnom motore s frekvenčným meničom.

Technológia ABB SynRM ponúka až o 40 % vyššiu hustotu výkonu oproti konvenčným indukčným motorom a takýto motor môže byť o dve veľkosti rámu menší ako štandardný indukčný motor. Je to dôležitá výhoda pre výrobcov strojov, ktorí často pracujú v zmenšenom priestore alebo sa snažia nahradiť existujúci DC motor. SynRM ponúka podobne vysokú hustotu výkonu ako ekvivalentný motor s permanentným magnetom, ale s odolnosťou a výrazne jednoduchšou údržbou asynchrónneho motora s kotvou nakrátko. Pretože rotor takéhoto motora sa pri prevádzke zahrieva menej ako pri iných motoroch, následne sa menej zahrievajú ložiská a motor vydrží na jedno premazanie zásadne dlhšie, čo tiež znižuje cenu spomínanej údržby. Toto riešenie prináša po inštalovaní aj výraznú redukciu hluku vo výrobnej hale.

Na chlp presne

Jednosmerné motory sú chladené vnútrajškom a to vyžaduje prídavné ventilátory s filtrovaným vzduchom. Striedavé motory sa spravidla chladia externe, vďaka čomu sú vhodnejšie do prašného prostredia. Navyše jednosmerné motory zvyknú byť dlhé a úzke, striedavé naopak kratšie, ale širšie v priemere. SynRM motor od ABB môže byť až o dve veľkosti rámu menší ako štandardný induk­čný motor. Celkovo menšia veľkosť otvára veľké množstvo využití pre balík SynRM.

Dvakrát meraj, raz strihaj

Pri zvažovaní prechodu z jednosmerného na striedavý pohon je dôležité dôkladne si premyslieť vek, regulačný rozsah a poplatky za energiu. Vhodnosť striedavého pohonu a úskalia jeho inštalácie odhalí úvodný monitoring konkrétnej aplikácie. Umožní presne určiť skutočný potenciál úspor a vhodne dimenzovať striedavý motor a pohon. Často sa už pri jeho zostavovaní podarí zmenšiť veľkosť motora a pohonu vzhľadom na požiadavky výroby. Je tiež dôležité dôkladne naštudovať schémy existujúceho zapojenia a prepojenia s nadradeným systémom. Pri inštalácii sa odstraňuje jestvujúci DC menič aj s jeho prepojeniami. Vopred sa treba uistiť, že nový pohon sa prepojí s existujúcimi nadradenými systémami bez vplyvu na funkčnosť. V tomto je skúsený partner z oblasti pohonov neoceniteľný.

Presnosť regulácie

Striedavé motory sa dajú regulovať aj v režime s otvorenou slučkou, s presnosťou a riadením momentu na úrovni, o ktorej sme v minulosti mohli len snívať. Riadenie v otvorenej slučke napríklad znamená, že pri použití priameho riadenia momentu (DTC) netreba použiť spätnoväzobný člen, napríklad tachometer alebo enkodér, a teda sa šetrí na nákladoch za dodatočný hardvér. Pri striedavom motore dokáže menič dostatočne presne spočítať otáčky aj v otvorenej slučke a ľahko dosiahne presnosť otáčok a momentu požadovaných pri regulácii na konštantné otáčky pri extrúzii plastov.

Striedavé pohony sú v súčasnosti také vyspelé, že všetky merania a výpočty potrebné pri regulácii sa počítajú vnútri softvéru pohonu. Pri prevádzke alebo diagnostike sa vďaka tejto vlastnosti dôležité hodnoty ľahko zobrazujú na ovládacom paneli pohonu ako aktuálne premenné spolu s kompletným popisom.

Tibor Baculák