Новости при честотните регулатори

• Само за десетилетие честотните задвижвания претърпяха забележителен технологичен напредък, който неимоверно разшири приложенията и функционалността им далеч отвъд базовата
  
  
• Честотните инвертори в епохата на Industry 4.0 са интелигентно решение на множество предизвикателства във връзка с енергийната ефективност и дигитализацията
  
  
• Основен акцент при проектирането на честотни регулатори от последно поколение е безопасността

Честотните инвертори (известни още като регулатори, задвижвания, управления или преобразуватели – VFD) далеч не са пазарна иновация в сегмента на индустриалната автоматизация. Всяка следваща вълна от технологични тенденции в сектора обаче води до разработването и налагането на ново поколение продукти, което се отличава със значително подобрени характеристики и функции в сравнение с предходното. На страниците на сп. Инженеринг ревю регулярно правим обзор на новостите в областта на честотните задвижвания, а в настоящия материал ще обърнем по-специално внимание на иновациите, които превръщат тези системи във все по-популярно и интелигентно решение на множество предизвикателства пред промишлените производители във връзка с енергийната ефективност, свързаността и дигитализацията в епохата на Industry 4.0.

Бурен технологичен напредък

Само за десетилетие честотните задвижвания в модерната индустрия претърпяха забележителен технологичен напредък, който неимоверно разшири приложенията и функционалността им далеч отвъд базовата. С това тези устройства еволюираха от компоненти – прости устройства за управление на скоростта на двигателите, до усъвършенствани системи, които могат да функционират напълно самостоятелно, да обезпечават редица критични приложения в мрежова свързаност помежду си или да изпълняват ролята на “гръбнак” на мащабните високотехнологични IIoT платформи в съвременните заводи.

Днес пазарът предлага изключително широко разнообразие от варианти при честотните регулатори с все по-компактен дизайн и все по-богат функционален инструментариум, способни максимално надеждно да управляват двигатели с всякакви типоразмери в диапазона до 400 Hz и интегрирани в най-разнообразни системи и видове промишлено оборудване. С развитието на технологиите в сектора аналоговите устройства с базова функционалност, елементарни алгоритми и прости опции за ПИД (Пропорционално, Интегрално, Диференциално) регулиране с обратна връзка постепенно прераснаха в изцяло дигитализирани контролери, способни да извършват много по-задълбочено управление на промишлени мотори и системи с помощта на вграден програмируем логически контрол и обширни опции за комуникация и обмен на данни.

Всичко това, разбира се, не означава, че честотните задвижвания са с неограничени възможности. Лимитирането обикновено идва от чисто техническите аспекти на тези системи, например броя на входно-изходните модули и размера на програмната памет. Производителите, които преодоляват тези ограничения чрез интелигентни, модулни и скалируеми концепции, предлагат на съвременната индустрия широкообхватни решения за свързаност и отдалечено управление, подходящи дори за най-комплексните и мащабни приложения.

Сред ключовите предимства на честотните инвертори днес е огромният потенциал за редуциране на потреблението на енергия на оборудването, което води до значителни икономии на средства за предприятията в дългосрочен план и до сериозно понижаване на въглеродния им отпечатък. При по-ниско натоварване на дадена помпа например един честотен инвертор, който се използва за забавяне на работата й, способства за до 80 на сто по-малка консумация на електроенергия от системата при намаляване на дебита с 50%. Дори още по-големи спестявания могат да бъдат реализирани при центробежните чилъри. Един типичен такъв охладител с конвенционална система за управление на лопатките, работеща при 50 процента от пълния си капацитет на натоварване, черпи почти 80% от енергията, която използва при пълно натоварване. Същият този агрегат, работещ при 50 процента натоварване, но оборудван с VFD, ще използва само една трета от електричеството при пълно натоварване.

Пусковите токове генерират топлина и напрежение в намотките на двигателите, които се стартират и спират често, като тези ефекти могат да доведат до ранна повреда на двигателя. Честотните регулатори значително ограничават щетите от тези явления чрез гарантиране на плавен пуск на двигателя. Всеки път, когато моторът се стартира, задвижването първоначално прилага по-ниска честота и напрежение, като постепенно ги повишава до нормалните работни стойности, което позволява безопасно функциониране на системата без подлагането й на големи токове.

Повишена степен на автоматизация

Двигателите, задвижвани от променливотокови честотни преобразуватели (AC VFD), осигуряват достатъчна прецизност за редица приложения във високотехнологичната индустрия, а вградената в тези устройства PLC логика позволява на VFD системите да управляват надеждно както отдалечени, така и локални операции. Сред предимствата на честотните регулатори от ново поколение са именно множеството режими на управление.

Продуктите в сегмента до неотдавна бяха съвместими само с трифазни AC индукционни мотори. Благодарение на разширения си и все по-интелигентен функционален инструментариум съвременните решения за честотно регулиране вече поддържат и двигатели с постоянни магнити. Последните предлагат множество ползи в сравнение с индукционните по-отношение на по-компактните си размери и по-високата ефективност.

Основен акцент при проектирането на честотни инвертори от последно поколение е и безопасността. Отвъд управлението, тези системи разполагат с изцяло нов пакет функции, включително безопасно спиране на въртящия момент (Safe torque off, STO), безопасно ограничение на скоростта, безопасно изключване на двигателя, безопасно управление на спирачната функция, безопасно ограничаване на ускорението, противопожарен режим и т. н.

Благодарение на този набор от опции честотните задвижвания на пазара днес се доказват като изключително добро решение за интелигентна оптимизация на работата на помпени системи. В комплексни конфигурации с вградени възможности за изпреварване, закъснение и редуване на отделните агрегати например тази цел може да бъде постигната чрез управление на скоростта на двигателя и помпата на база моментното натоварване. Така честотните преобразуватели постепенно изместват в практиката конкурентни технологии за контрол на помпено оборудване, като стартерите и по-специално – софтстартерите, тъй като вместо работата на единичен агрегат подобряват и синхронизират цялото приложение.

Още по-висока ефективност осигуряват готовите за внедряване цялостни решения от двигател, помпа и честотно управление, проектирани и разработени заедно с цел максимизиране на ползите по отношение на ефективността. Тези системи се отличават с още по-широки възможности за управление на скоростта и плавен старт, което в допълнение на по-ниското енергийно потребление гарантира и по-дълъг експлоатационен живот на помпената инсталация с по-малко разходи за поддръжка.

Улеснена работа, интелигентна свързаност

В допълнение към усъвършенстваното управление и разширените функции за безопасност, при честотните регулатори на съвременния пазар се наблюдават и други значими технологични подобрения – в комуникационните аспекти и възможностите за мрежова свързаност. Конвенционалните VFD устройства в миналото разчитаха на прости дискретни и аналогови I/O сигнали чрез перманентни електронни вериги. Технологията се разви до свързаност чрез цифрови индустриални полеви шини, позволяващи обединяването на множество честотни инвертори в една мрежа. При някои от модерните преобразуватели потребителите могат да свалят всички настройки и регистри от устройството чрез Blueetooth и директно да ги изпратят по имейл към техническия екип по поддръжката на производителя.

Много продукти в сегмента се разработват специално за конкретни приложения, например за управление на помпени системи, предлагайки прецизно селектиран функционален обхват според изискванията им, включително предварително дефинирани параметри, програмирани опции и улеснена интуитивна инсталация.

Освен при първоначалното конфигуриране и въвеждане в експлоатация, тази специализация пести ценно време на потребителите и по време на обслужването и поддръжката на честотните регулатори и системите, в които са интегрирани. Тя обхваща и разширени инструменти за мониторинг и отстраняване на проблеми, адаптирани към характера на конкретното приложение.

В абсолютен синхрон с оборудването, което управляват, честотните задвижвания все по-често изпълняват функциите на цялостни решения благодарение на една простичка наглед своя опция – свързаността. Интегрирането на комуникационни възможности позволява цялостно координиране на технологичните процеси, непрекъснат и задълбочен мониторинг както на ниво отделно устройство, така и на системата в цялост и улеснено регистриране и локализиране на различни проблеми и неизправности.

Свързаността мултиплицира ползите от честотното управление – от контрола на изолирана машина до мащабното оркестриране на цели фабрики и съоръжения чрез удобни и лесни за използване портативни платформи, като мобилни приложения за смартфон или таблет. Освен икономия на време, усилия и човешки ресурс за физическо посещение на обектите, интелигентната свързаност повишава и безопасността на персонала, когато честотните инвертори са внедрени в оборудване във взривоопасни зони или други агресивни среди.

В следващите години експертите в сегмента очакват VFD системите вече масово да могат автоматично да снемат информация за съответния двигател от продуктовата база данни на производителя и самостоятелно да въвеждат необходимите параметри, за да конфигурират системата. Друга бъдеща иновация, която допълнително би улеснила работата с честотни регулатори, е автономното координиране на комуникацията между мотора и задвижването с цел обмен на релевантната информация без необходимост от намеса на оператор.

Подобрена ефективност, по-висока плътност на мощността

Честотните преобразуватели днес предлагат бързо и интуитивно инсталационно преживяване на потребителя, сходно с това при “plug-and-play” концепцията. Въпреки фокуса върху удобството при най-новите системи обаче производителите не допускат компромис със същинските функции за управление на скоростта за сметка на ефективността. За да бъде достатъчно надеждно за съвременните приложения в дигитализираните фабрики, едно честотно задвижване е необходимо да предлага целия пакет от функционални модули – безупречна безопасност, максимална икономия на енергия, но и усъвършенстван контрол на ускоряването и забавянето и софт старт, който удължава сервизния цикъл на оборудването и минимизира разходите за поддръжка.

Честотните управления днес правят всичко това възможно благодарение на усъвършенствания си интегриран софтуер, който е “по-лек и компактен” като платформа в сравнение с предшествениците си и много по-лесен за програмиране и използване. В допълнение VFD устройствата стават все по-мощни и ефективни, заемайки все по-малко пространство и консумирайки все по-малко енергия, което кореспондира с по-високата им плътност на мощността.

Микроконтролерите и силовата електроника в сегмента на честотното управление са с непрекъснато нарастващи характеристики, а паралелно с това логиката на пазарното търсене налага повече и повече функции да бъдат обезпечавани от задвижвания със същите габарити и на същата цена. Така честотните регулатори от последно поколение разполагат с достатъчно изчислителна мощ да функционират като самостоятелни системи с интегриран PLC контрол, множество технологии за управление на двигателите и широка гама от входно-изходни модули.

По-високата плътност на мощността позволява на собствениците и операторите на индустриално оборудване да се възползват от по-синхронизирани помежду си устройства, които са по-лесни за внедряване, и то без компромис с производителността или надеждността. Работата на двигателя с по-нисък капацитет, когато натоварването го позволява, дава възможност за значителни икономии на енергия (лесно се постига спестяване на до 50%). Плавното ускоряване на моторите драстично ограничава ефекта на пусковите токове и намалява пиковите стойности, на които енергийните дружества често базират тарифирането си. В допълнение някои модели честотни преобразуватели разполагат с т. нар. “sleep” режим (“заспиване”), при който двигателят се изключва по време на ПИД управление, за да се адаптира към изискванията на моментния процес.

В обобщение можем да кажем, че технологичният напредък при честотните регулатори през последните години никак не е скокообразен. Той по-скоро е постепенен и включва непрекъснато надграждане и разширяване на функционалността, при което тези устройства от базови компоненти за контрол на двигатели се превръщат в комплексни платформи за безопасно и усъвършенствано управление на промишлени системи с подобрени възможности за събиране на данни и диагностика чрез IIoT.