Модульные преобразователи частоты от Siemens

Что представляет собой общепромышленный преобразователь частоты (ПЧ)? В общем виде можно дать такое определение: «Общепромышленный преобразователь частоты — устройство, предназначенное для управления трехфазным асинхронным или синхронным электродвигателем переменного тока и состоящее из трех основных частей: выпрямителя (однофазного или трехфазного), промежуточного звена постоянного тока и инвертора». Но прогресс идет дальше, и ни для кого не секрет, что все мировые производители приводной техники стремятся к тому, чтобы привод становился все умнее и умнее, выполнял логические операции и имел специальные функции (например, для систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, ОВиК). Причем, с каждым годом производители предлагают нам все новые и новые варианты, которые отличаются улучшенными показателями, а также повышенной функциональностью.

Компания Siemens, пионер в области инноваций приводной техники, предложила новую концепцию — общепромышленный ПЧ модульного исполнения. Это значит, что теперь устройство «разбивается» на несколько модулей. То есть состоит из трех основный частей: силовой модуль (Power Module), управляющий модуль (Control Unit) и опциональная панель оператора (Operator Panel).

Модульная конструкция преобразователя частоты

Основное преимущество модульной концепции состоит в том, что она позволяет подобрать ПЧ под конкретные потребности технологического процесса за адекватную стоимость, попутно повысив надежность и экономичность прибора. Также важным фактором является возможность сократить склад запасных частей, обеспечив максимальную техническую готовность оборудования на производстве. В случае отказа стандартного моноблочного ПЧ приходится менять его целиком, соответственно желательно иметь ЗИП (запасные части, инструменты, принадлежности по ГОСТ 2.601) в виде всех типов преобразователей, применяющихся на производстве, а при замене такого ПЧ его нужно не только установить вместо старого, но и запараметрировать под технологический процесс. В случае же использования модульного ПЧ, например SINAMICS G120, при выходе из строя управляющего модуля его можно заменить без отключения силового питания силового модуля, а конфигурацию для конкретного случая загрузить в управляющий модуль по интерфейсу USB с внешнего компьютера или с помощью SD-карты. Причем загрузку можно выполнить как непосредственно на объекте, так и предварительно. Также можно заменить в случае аварии и силовой модуль отдельно от управляющего, то есть, отключив питание силового модуля, мы не прервем управление технологическим процессом. Управляющий модуль, имеющий возможность подключения внешнего питания, будет обрабатывать данные процесса и продолжать обмен по полевой шине. Остается только заменить силовой модуль, и сразу по включении питания можно запускать преобразователь частоты в работу.

Важно, что силовые и управляющие модули совместимы между собой. Таким образом, объем ЗИП сокращается в разы. Модульность в данном случае является огромным плюсом со стороны экономической эффективности. При этом остается возможность дальнейшей модернизации ПЧ с развитием функциональности — заменяя дешевый управляющий модуль, можно обеспечить новую функциональность ПЧ, не меняя более дорогую силовую часть. В случае изменения параметров технологического процесса (например, расширение системы) заменяются или добавляются только необходимые модули.

Рассмотрим более подробно типоряд модулей ПЧ SINAMICS G120.

Силовые модули

Силовой модуль ПЧ отвечает за его номинальную мощность и перегрузочную способность, рабочее напряжение и возможность рекуперации (возврата генераторной энергии обратно в сеть). В зависимости от того, о каком характере нагрузки идет речь, силовые модули делятся на несколько типов, а именно:

• PM230 — для насосов, вентиляторов и компрессоров;
• PM240 — для общего машиностроения с функцией торможения;
• PM250 — для общего машиностроения с функцией торможения + рекуперация;
• PM260 — для применения с напряжением до 690 В (со встроенным синус-фильтром и рекуперацией).

В таблице 1 приведены краткие технические характеристики всех силовых модулей.

Таблица 1. Сравнительные характеристики силовых модулей SINAMICS G120

Управляющие модули

Управляющий модуль (Control Unit, CU) отвечает за функциональность ПЧ, за количество входов/выходов, поддерживаемые протоколы связи и типы подключаемых датчиков (таблица 2). Управляющие модули, так же как и силовые, выбираются в зависимости от применения преобразователя частоты:

• CU230P-2 — для насосов, вентиляторов и компрессоров;
• CU240B-2 — для общего машиностроения с базовым набором входов/выходов;
• CU240E-2 — для общего машиностроения с базовым набором входов/выходов + встроенные функции безопасности (Safety Integrated);
• CU250S-2 — для общего машиностроения c расширенным набором входов/выходов, подключение различных датчиков скорости, простое позиционирование и расширенные функции безопасности (Safety Integrated).

Таблица 2. Сравнительные характеристики управляющих модулей SINAMICS G120

Программные решения для выбора и работы ПЧ

Чтобы выбор соответствующего ПЧ не был сложным, Siemens предлагает ряд бесплатных программ для простого выбора, например SINAMICS SELECTOR для смартфонов. Существует мощная инжиниринговая программа SIZER, которая позволяет выбрать нужный двигатель, ПЧ и систему управления верхнего уровня на основании инженерных расчетов различных механизмов, потерь, гармоник и т. п. Также есть беплатное веб-решение — DT-configurator, который позволяет выбрать оптимальную систему, просто отвечая на вопросы. А чтобы запустить преобразователь в работу, можно воспользоваться опять же бесплатным программным обеспечением SINAMICS STARTER.

Видеофильм о SINAMICS G120 и его применении

Приложение SINAMICS SELECTOR для смартфонов на платформе Android и iOS

Страница загрузки программы SIZER

Веб-приложение DT-configurator

Программное обеспечение SINAMICS STARTER

Энергоэффективность SINAMICS G120

Функциональность преобразователя также содержит много возможностей для создания энергоэффективных решений. Например, используя PROFINET через профиль PROFIenergy, можно получать информацию об энергопотреблении и при необходимости отключать неиспользуемые или второстепенные части производственных установок при их простое или для сглаживания пиков потребления электрической энергии. Таким образом, децентрализованные узлы переводятся в самое эффективное (по потребляемой энергии) состояние, а также потребители электроэнергии становятся доступны для анализа энергопотребления. Только за счет этих мер можно обеспечить экономию энергии до 30%.
Можно выделить несколько интересных режимов энергоэффективной работы SINAMICS G120.

Рекуперация и передача энергии по контуру постоянного тока

При использовании рекуперации энергии нет необходимости в использовании тормозных резисторов, практически вся энергия торможения возвращается обратно в сеть. Также на преобразователях частоты SINAMICS есть возможность передачи энергии торможения через контур постоянного тока от одного преобразователя частоты на другой, что, например, дает огромный экономический эффект на перегружающих конвейерах при опускании грузов или на системах вентиляторов. Потребление энергии из сети при использовании этих функций значительно сокращается (и в первом, и во втором случае возможна экономия до 80%).

ECO-режим

Благодаря уменьшению потерь в двигателях в режиме U/f, за счет автоматической адаптации магнитного потока (потокообразующего тока при частичной нагрузке) в данном режиме возможна экономия до 5% электроэнергии. Активация происходит в двух случаях: при изменениях заданного значения или при выходе напряжения промежуточного контура за границы номинального диапазона.

Спящий режим (гибернация)

На холостом ходу система привода полностью отключается, то есть переходит в спящий режим. Режим применим для систем ОВиК, а именно — для насосов, вентиляторов и компрессоров. Система обладает пониженным энергопотреблением. Благодаря использованию спящего режима происходит уменьшение износа и увеличение срока службы механических компонентов. Экономия достигает 15%.

Каскадное управление

В зависимости от расхода, ПЧ, управляющий двигателем основного насосного агрегата, может производить пуск/останов дополнительных насосных агрегатов. Система более эффективна, если для запуска дополнительных насосов использовать устройства плавного пуска. Помимо экономии электроэнергии до 40%, данный тип управления позволяет сократить затраты на решение и повысить надежность за счет дублирования.

Режим байпаса

Когда электродвигатель работает в номинальном диапазоне частоты вращения, часто возникают ненужные потери в ПЧ. Решением является переключение двигателя на питание от сети в момент, когда достигнута номинальная частота вращения. Экономия достигает 15%, плюс к этому при ошибке ПЧ двигатель может быть переведен и в аварийный режим.