Falownik typu matrix steruje schodami ruchomymi w monachijskim metrze

Cel: niezawodność w każdych warunkach

„Po prostu mobilnie“ – pod takim hasłem działa Münchner Verkehrsgesellschaft mbH (Monachijskiemu Przedsiębiorstwo Komunikacyjnemu) – spółka córka Stadtwerke München organizująca każdego roku transport dla ponad pół miliarda pasażerów poruszających się po stolicy Bawarii. Podróżni korzystają tu nie tylko z tramwajów, metra i autobusów, ale także z 770 systemów schodów ruchomych zapewniających dostęp do przystanków. To największa sieć tego typu instalacji w Niemczech zarządzana przez pojedyncze przedsiębiorstwo.

Bezpośrednia odpowiedzialność za bezawaryjną pracę schodów spoczywa na Mario Principie oraz jego zespole. „Strategiczne znaczenie ma tu niezawodność”, wyjaśnia specjalista. „Nie tylko ze względu na komfort podróżnych, ale także na zapewnienie ciągłości przepływu pasażerów: bez schodów ruchomych wielu z nich nie dotarłoby na przystanek o czasie”.

Wysokie wymogi względem bezpieczeństwa i dostępności w połączeniu z dużą liczbą obsługiwanych instalacji sprawiają, że każda zmiana techniczna ma istotny wpływ na koszty zarządzania całym systemem. Dlatego technicy bardzo dokładnie testują różnorodne rozwiązania, a sam system podlega ciągłym modernizacjom przeprowadzanym w trudnych, bo niestandardowych warunkach. Średni czas użytkowania schodów ruchomych wynosi bowiem 30 lat, a to powoduje, że w tym samym czasie w użyciu jest wiele generacji i modeli tych urządzeń. Różne są także warunki przestrzenne, w których pracują. „W praktyce każde urządzenie jest inne”, wyjaśnia Daniel Mayer, elektrotechnik.

Münchner Verkehrsgesellschaft stara się sprostać tym wyzwaniom dzięki wysokiej innowacyjności, m.in. tworząc własne systemy sterowania kompatybilne ze schodami różnych producentów. Takie rozwiązanie ma szereg zalet: umożliwia serwisowanie systemów na miejscu i szybkie usuwanie awarii, a jednocześnie obniża koszty magazynowania części zamiennych i modernizacji. „Tego typu innowacje to znak firmowy naszego miasta. Pod tym względem jesteśmy znani w całej branży”, stwierdza Mario Princip.

Na długo zanim jednak przedsiębiorstwo opracowało własny system sterowania, zainwestowało w inne nowoczesne rozwiązania, w tym przede wszystkim falowniki. Nic dziwnego, jeśli wziąć pod uwagę ich ewidentne korzyści w porównaniu z konwencjonalnymi napędami: dzięki falownikom schody pracują jedynie wówczas, gdy istnieje taka potrzeba, uruchamiane kurtyną świetlną zainstalowaną na wejściu. Inwertery umożliwiają także dostosowanie parametrów rozruchu i hamowania, tak aby zapewnić odpowiedni komfort użytkowania i ograniczyć zużycie komponentów mechanicznych.

O ile jednak konwencjonalne falowniki znacznie optymalizują ruch w górę, o tyle w przypadku schodów zjeżdżających w dół oferowany przez nie potencjał oszczędności jest stosunkowo niewielki. Wiele z nich bazuje bowiem na rezystorach hamowania, które generują trudne do odprowadzenia ciepło. W charakterze tym można co prawda wykorzystać także uzwojenie silnika przekształcające energię w ciepło. Niestety zakres wykorzystania tego rozwiązania jest relatywnie wąski i nie obejmuje pracy ciągłej. Konwencjonalny falownik można wreszcie wyposażyć w moduł zwrotu energii do sieci. Nie zawsze jednak jest to możliwe: w niektórych przypadkach szafy sterownicze oferują zbyt mało miejsca na instalację dodatkowych komponentów.

Rozwiązanie: optymalizacja ruchu w każdym kierunku

Obiecującą alternatywę dla wszystkich tych koncepcji stanowią nowe przemienniki częstotliwości typu matrix, w których falownik i moduł odzysku energii zostały zintegrowane w jednej obudowie. Rozwiązanie to było do tej pory rzadko stosowane w sieciach niskiego napięcia. W 2016 r. zespół Mario Principa przeprowadził szeroko zakrojone testy nielicznych dostępnych na rynku modeli tego typu falowników na własnym stanowisku symulacyjnym. Głównym wymogiem stawianym urządzeniom była dostępność funkcji zapewniającej zsynchronizowany rozruch po automatycznym wyłączeniu napędu. Dużą wagę przywiązywano również do tego, aby komponenty elektryczne mogły bez szkody pracować przez cały rok w warunkach zewnętrznych.

Wśród testowanych urządzeń znalazł się także nowy falownik U1000 typu matrix firmy YASKAWA. Zaprezentowany po raz pierwszy w 2014 r., dysponuje funkcją odzysku energii i może być wykorzystywany do sterowania pracą silników asynchronicznych i z magnesami trwałymi o mocy od 2,2 do 500 kW – z enkoderem lub bez enkodera. Specjalna konstrukcja U1000 sprawia, że może on bezpośrednio oddawać energię do sieci – nawet bez użycia kondensatorów obiegu pośredniego. W efekcie nie ma konieczności instalacji dodatkowego modułu odzysku energii, co znacznie ogranicza zapotrzebowanie na miejsce w szafie sterowniczej. Podobnie jak wszystkie falowniki z serii 1000, także U1000 został zaprojektowany tak, aby mógł pracować bezawaryjnie w trybie ciągłym przez co najmniej 10 lat.

Energia oddawana do sieci może być wykorzystywana przez inne odbiorniki (np. źródła światła) działające w budynku. Nie to jednak zdecydowało o włączeniu U1000 do pilotażowego systemu napędowego, przekazanego do testowania w realnym środowisku pracy. Ważniejszą kwestią okazał się brak rezystorów hamowania umożliwiający znaczne uproszczenie, a nawet całkowitą rezygnację z układów chłodzenia i wentylacji, a także dobre parametry jakościowe sieci zarówno w trybie generowania, jak i odzysku energii, tj. sinusoidalny przebieg prądu sieciowego z minimalnym udziałem wyższych harmonicznych. Taka charakterystyka prądu przekłada się na mniejsze straty na takich komponentach jak transformatory czy przewody, a tym samym większą efektywność pracy całej instalacji przy maksymalnym ograniczeniu negatywnego wpływu na pozostałe komponenty systemu. Umożliwia też uniknięcie wielu awarii oraz żmudnego poszukiwania ich źródeł.

Każdy falownik z serii U1000 wyposażony jest w standardzie w filtr elektrostatyczny i nie wymaga instalacji żadnych dodatkowych komponentów, takich jak dławiki czy filtry pasmowe. Urządzenie jest nawet o 50% bardziej kompaktowe niż konwencjonalne układy składające się z falownika i modułu zwrotu energii do sieci. Co więcej, jest wyposażone w wejście STO (bezpiecznego wyłączenia momentu obrotowego), dzięki czemu spełnia wymogi norm dotyczących bezpieczeństwa maszyn bez konieczności instalowania wielu dodatkowych komponentów. Można je doposażyć w karty rozszerzeń obsługujące wszystkie popularne magistrale komunikacyjne, takie jak EtherCAT, Powerlink, Profinet, Profibus czy Ethernet IP.