SIEMENS SINAMICS: обзор низкочастотных преобразователей

28.01.2022

Преобразователь частоты – это сложное электротехническое устройство для регулирования скорости вращения электродвигателя, путем изменения частоты напряжения питающей сети. Статический преобразователь частоты – это изделие, состоящее из силовой части на базе полупроводниковых элементов, таких как транзисторы/тиристоры/IGBT модули, и системы управления (микропроцессор).

Основную часть электродвигателей в промышленности занимают асинхронные электродвигатели. Принцип работы которых заключается в создании вращающегося магнитного поля статора, которое при взаимодействии с ротором наводит ЭДС и заставляет ротор вращаться в ту же сторону что и поле статора, но скорость вращения ротора всегда меньше скорости вращения поля статора, что и дает название типу двигателей – асинхронные. Для работы с низковольтными асинхронными электродвигателями применяются статические частотные преобразователи переменного тока, которые условно можно разделить по напряжению питания:

Однофазные 230В;
Трехфазные 230В;
Трехфазные 380В;
Трехфазные 690В.

Структурная схема преобразователя частоты

Структурная схема преобразователя частоты

Выпрямитель;
Звено постоянного тока;
Инвертор.

При подаче питающего напряжения на выпрямитель происходит преобразование переменного напряжения в постоянное, пульсирующее. После, в звене постоянного тока, пульсации сглаживаются и уже на инверторе происходит обратное преобразование постоянного напряжения в переменное, то есть формируется последовательность трапецеидальных импульсов требуемой длительности и ширины – ШИМ (широтно-импульсная модуляция).

Напряжение на выходе регулируемого привода

Такая форма выходного напряжения вызвана коммутацией IGBT модулей, при открытии и закрытии ключей. Для придания более синусоидальной формы напряжению на выходе часто применяют выходные фильтры или моторные дроссели – это внешние устройства, применяющиеся для сглаживания коммутационных перенапряжений, негативно влияющих на работу двигателя.

Преимущества использования выходных фильтров

Продление срока службы двигателя, за счет придания более синусоидальной формы напряжению;
Защита обмоток от перегрева;
Снижение акустического шума в двигателе;
Уменьшение подшипниковых токов и снижение риска их повреждения;
Снижение высокочастотных помех в кабеле и увеличение длины кабельной линии.

Способы управления частотным преобразователем
В основном, преобразователи частоты для асинхронного электродвигателя можно разделить на 2 группы по способу управления – скалярное и векторное управление:

1. Базовые преобразователи частоты, со скалярной системой управления.
Частотники с таким управлением имеют простую конструкцию и на выходе регулируют частоту и амплитуду напряжения, по закону U/f. Этот способ является самым простым и позволяет регулировать скорость вращения, момент, запускать двигатель под нагрузкой, а также управлять несколькими двигателями одновременно. Но для более сложных задач, где требуется создавать замкнутые системы с автоматическим поддержанием скорости или момента двигателя, в зависимости от изменяющейся нагрузки, такие преобразователи частоты не подойдут. Диапазон регулирования скорости в таком режиме 1:10

2. Преобразователи частоты с векторной системой управления.
Векторные частотные преобразователи – сложные устройства которые по математической модели анализируют взаимодействие магнитного поля статора и ротора. Этот способ позволяет поддерживать и регулировать скорость, обладает высоким быстродействием и позволяет поддерживать момент на разных скоростях. Частотник такого типа применяются в системах с динамической нагрузкой, для построения замкнутых систем с датчиком обратной связи или без. Диапазон регулирования скорости в таком режиме 1:1000

Какие преимущества дает использование преобразователя частоты?

Регулирование скорости и момента, с точной подстройкой;
Снижение пусковых токов;
Повышение энергоэффективности системы, то есть снижение затрат на электроэнергию;
Увеличение срока службы установки, за счет снижения износа электродвигателя и связанных с ним механических узлов;
Защита двигателя. В современных частотниках установлен ряд защит от перегрузки, перегрева, короткого замыкания, повышенного и пониженного напряжения и т.д.;
Возможность рекуперации электроэнергии в сеть или сброс излишек на тормозные сопротивления;
Повышение КПД двигателя и системы в целом;
Постоянный мониторинг состояния электродвигателя и передача этой информации в вышестоящие системы АСУ. Это позволяет быстро и безошибочно реагировать на отклонения от нормального режима работы.

Разделение по областям применения

Системы вентиляции и кондиционирования HVAC, в котельных и дымососах:
Плавное регулирование частоты дутьевых и нагнетательных вентиляторов; Защита от гидроударов и сухого хода насосного оборудования; Оптимизация режимов горения у котлов и котельных агрегатов; Уменьшение количества задвижек/заслонок и вентилей; Пожарный режим.
Система станков и транспортировочных конвейеров:
Регулирование скорости перемещения, контроль частоты вращения вала, ускорения; Функции плавного перемещения, без ударов и рывков, что в значительной мере увеличивает ресурс подвижных узлов. Отслеживание перемещения груза.
Грузоподъемные механизмы, краны, лифты и т.д.
Демпфирование колебаний и раскачивания грузов; Прямое управление механическим тормозом; Наличие функций безопасного останова STO; Функции плавного подъема и спуска, без ударов и рывков.
Металлургия и деревообработка. Электродвигатели станков и прокатных станов, летучих ножниц.
Облегчают работу двигателей и исполнительных механизмов режимах частых пусков с изменением момента и скорости; Мягкая регулировка без рывков и срывов; Высокая точность регулировки вращающихся органов, в позиционировании.

Преобразователи частоты Siemens SINAMICS и их преимущества
Семейство низковольтных частотных преобразователей Siemens SINAMICS (Сименс Синамикс) включает общепромышленные и специализированные серии, оптимизированные для эксплуатации с двигателями SIEMENS SIMOTICS GP и SIMOTICS SD в различных применениях.

Основные серии преобразователей серии SINAMICS:

Преобразователь частоты SINAMICS V20
SINAMICS V20 – Бюджетный, общепромышленный преобразователь частоты для решения базовых задач с высокой перегрузочной способностью по току 150% в течении 60с. Модельный ряд включает диапазон мощностей от 0,12 до 30кВт со степенью защиты IP20. Они имеют встроенную панель оператора ВОР, простую системную конфигурацию со стандартизированными библиотеками и готовыми макросами. Диапазон рабочих температур частотника SINAMICS V20 без снижения характеристик - 0… +40 С. Параметры серии: Вход 1х230В, Выход 3х230В, мощностной ряд 0,12-3 кВт; Вход 3х380В, Выход 3х380В, мощностной ряд 0,37-30 кВт; Степень защиты IP20; Коммуникация: USS/Modbus RTU, с дополнительным модулем SINAMICS V20 Smart Access подключение к веб серверу. Руководство по эксплуатации

Преобразователь частоты SINAMICS G120
SINAMICS G120 – Модульный преобразователь (общепромышленный) с диапазоном мощностей 0,37-250 кВт, состоящий из силовых модулей PM и модулей управления CU. Такая конструкция позволяет сокращать издержки, за счет удобства и быстроты замены - все модули управления универсальны и подходят для любого силового модуля, независимо от мощности. Минимальная комплектация состоит из силового модуля и модуля управления, остальные элементы, такие как панель управления ВОР или IOP являются не обязательными и заказываются в зависимости от требований. Диапазон рабочих температур частотника SINAMICS G120 без снижения характеристик - 10… +40 С. Параметры серии: Вход 1х230В, Выход 3х230В, мощностной ряд 0,55-4 кВт; Вход 3х230В, Выход 3х230В, мощностной ряд 5,5-55 кВт; Вход 3х380В, Выход 3х380В, мощностной ряд 0,55-250 кВт; Степень защиты IP20; Коммуникация: PROFINET, PROFIBUS, EtherNet/IP, USS/Modbus RTU, BACnet MS/TP, CANopen. Руководство по эксплуатации

Преобразователь частоты SINAMICS G120P
SINAMICS G120P – Специализированные преобразователи частоты для систем HVAC зданий и в промышленности. Помимо наличия специализированных функций данный преобразователь поставляется в 2х вариантах исполнений, в компактном (навесном) и шкафном исполнении, полностью готовые к подключению на месте. Модельный ряд включает мощности до 630кВт IP20 или IP55. Они идеально подходят специальных применений на предприятиях, таких как приточно-вытяжные системы вентиляции и кондиционирования воздуха, для насосов котельных ГВС и ХВС, а также холодильных установок и компрессоров. Кроме того, у данных преобразователей частоты есть «Пожарный режим» для длительной работы в чрезвычайной, аварийной ситуации. Параметры серии: Вход 3х380В, Выход 3х380В, мощностной ряд 0,37-560кВт; Вход 3х690В, Выход 3х690В, мощностной ряд 11-630кВт; Степень защиты IP20 или IP55. Коммуникация: PROFINET, PROFIBUS, EtherNet/IP, USS/Modbus RTU, BACnet MS/TP. Руководство по эксплуатации

Преобразователь частоты SINAMICS G120С
SINAMICS G120C – Особо компактные преобразователи частоты, обладающие широким функционалом и интегрированными функциями безопасности. Легко встраиваются в существующую системы с полной диагностикой в TIA Portal. Модельный ряд включает мощности до 132кВт в 7ми типоразмерах, со степенью защиты IP20. Частотники СИНАМИКС данной серии можно устанавливать бок о бок, без снижения характеристик, что позволяет экономить место в шкафу управления. Диапазон рабочих температур преобразователя частоты SIEMENS G120C без снижения характеристик - 10… +40 С. Параметры серии: Вход 3х380В, Выход 3х380В, мощностной ряд 0,55-132 кВт; Степень защиты IP20; Коммуникация: PROFINET, PROFIBUS, EtherNet/IP, Modbus RTU/USS. Руководство по эксплуатации

Преобразователь частоты SINAMICS G120X
SINAMICS G120X – новая серия преобразователей частоты семейства SINAMICS, оптимизированная для систем водоподготовки и водоотведения промышленных и инфраструктурных объектов. Надежная конструкция и дополнительные покрытия печатных плат позволяют использовать данный частотник в суровых условиях эксплуатации, соответствующих стандарту 3C3. SIEMENS G120X может работать без снижения характеристик при температурах от -20°C до 45°C. Легко и быстро интегрировать в любую систему управления, а также подключить к облаку с помощью модуля SINAMICS CONNECT 300. Специализированные функции: Очистка загрязнений на рабочем органе насоса; Контроль заполнения труб; Автоматическое поддержание заданного режима; Обнаружение кавитации; Возможность управления несколькими насосами. Параметры серии: Вход 3х380В, Выход 3х380В, мощностной ряд 0,75-560кВт; Вход 3х690В, Выход 3х690В, мощностной ряд 3-630кВт; Степень защиты IP20 или IP21 с дополнительным комплектом Roof top; Коммуникация: PROFINET, PROFIBUS, EtherNet/IP, Modbus RTU/USS, BACnet MS/TP, Wi-Fi через модуль веб-сервера SINAMICS G120X Smart Access. Руководство по эксплуатации

Преобразователь частоты SINAMICS G130
SINAMICS G130 – Встраиваемый преобразователь частоты, оптимизирован для установки в шкаф управления или непосредственно на технологическую машину. Модульная конструкция, состоящая из модуля управления CU320 и силового блока PM, позволяет устанавливать компоненты как в единый блок, так и отдельно друг от друга. Для подключения используется система DRIVE-CLiQ, в комплект поставки силового модуля входит кабель питания блока управления. Особенности частотных преобразователей SIEMENS G130: Легкая и быстрая замена отдельных компонентах позволяет сэкономить на обслуживании и поддержании склада ЗИП; Предустановленные функции упрощают подстройку под индивидуальные требования; Заранее запрограммированный интерфейс; Тихий режим работы, благодаря обновленной системе охлаждения и IGBT модулям. Параметры серии: Вход 3х380В, Выход 3х380В, мощностной ряд 315-560кВт; Вход 3х690В, Выход 3х690В, мощностной ряд 315-800кВт; Степень защиты: IP20 или IP00. Коммуникация: PROFINET/ EtherNet/IP, PROFIBUS. Руководство по эксплуатации

Преобразователь частоты SINAMICS G150
SINAMICS G150 – Преобразователи частоты шкафного типа имеют 2 исполнения: Вариант А – стандартная конструкция, в шкафу предусмотрено место для установки всех компонентов со стороны двигателя и со стороны сети. Вариант С – компактная конструкция, в шкафу не предусмотрено место под сетевые компоненты. Данный частотник Сименс имеет широкий ряд опций, встраиваемых в один шкаф и может быть укомплектован датчиками для специальных задач. В итоге, получается собранный шкаф готовый к подключению и пуско-наладке на месте. Они специально адаптированы для приводов с квадратичной характеристикой или постоянной нагрузкой, без рекуперации энергии. Параметры серии: Вход 3х380В, Выход 3х380В, мощностной ряд 110-900кВт; Вход 3х600В, Выход 3х600В, мощностной ряд 110-1000кВт; Вход 3х690В, Выход 3х690В, мощностной ряд 75-1500кВт; Степень защиты: Стандарт IP20, так же есть варианты IP21, IP23, IP43 и IP54. Коммуникация: PROFINET/ EtherNet/IP, PROFIBUS. Руководство по эксплуатации

Преобразователь частоты SINAMICS G180
SINAMICS G180 – Преобразователи частоты шкафного исполнения с воздушным или жидкостным охлаждением, для применения в нефтегазовой, химической и перерабатывающей отраслях. SIEMENS G180 разработаны для эксплуатации со взрывобезопасными двигателями SIMOTICS XP и оптимизированы для категорий взрывозащиты Ex ec, Ex eb и Ex db. Параметры серии: Вход 3х230-690В, Выход 3х230-690В, мощностной ряд 2,2-6600кВт; Степень защиты: Стандарт IP20, так же есть варианты IP00, IP21, IP23, IP41, IP43, IP54, IP55. Коммуникация: PROFINET/ EtherNet/IP, PROFIBUS. Руководство по эксплуатации