Статьи

Модульные преобразователи частоты

Введение

Исторически развитие преобразователей частоты строилось по классической схеме: один преобразователь – один двигатель.

Развитие элементной базы, как силовых, так и управляющих элементов, позволило производителям начать выпуск преобразователей частоты в модульном исполнении.

Модульные преобразователи частоты — это частотно-регулируемые приводы, построенные из отдельных функциональных модулей.

Основная идея заключается в том, что инженер получает «конструктор», состоящий из конечного числа основных элементов - модулей, используя которые в разных сочетаниях можно сконфигурировать преобразователь частоты под конкретную задачу.

В типовую модульную систему входят входной выпрямитель, звено постоянного тока, один или несколько инверторных модулей, модуль управления, тормозной модуль, сетевые фильтры и дроссели, а также интерфейсы промышленной связи — например, Modbus, PROFIBUS, PROFINET или Ethernet.

Основные преимущества модульной архитектуры

· Наращивание мощности путём подключения дополнительных модулей.

· Возможность питания нескольких двигателей от одного общего выпрямителя.

· Быстрая замена неисправного модуля.

· Возможность рекуперации энергии в сеть.

· Удобное построение многодвигательных систем.

· Высокая ремонтопригодность и возможность резервирования.

Основные ограничения

· Более высокая первоначальная стоимость по сравнению с компактным моноблочным преобразователем.

· Более высокие требования к инженерному и эксплуатирующему персоналу.

· В некоторых случая требуется большее пространство для установки.

Безусловно для простых применений на неответственных механизмах применение преобразователей частоты экономически не оправдано.

Однако для серьезных ответственных механизмов, для которых критичны отказоустойчивость, скорость восстановления после выхода из строя, в некоторых случаях компактность, применение преобразователей частоты в модульном исполнении более чем оправдано.

Рассмотрим основные преимущества модульной конструкции:

Гибкость и масштабируемость

Мощность преобразователя можно увеличивать путём установки дополнительных силовых модулей. При изменении параметров нагрузки не требуется замена всего преобразователя, что снижает капитальные затраты при модернизации.
модульные преобразователи частоты.png

Повышенная надёжность и резервирование

Модульная архитектура позволяет реализовать резервирование по схеме N+1. При отказе одного силового модуля система может продолжить работу на сниженной мощности. Это особенно важно для непрерывных производственных процессов, где остановка оборудования приводит к значительным потерям.

Удобство и скорость обслуживания

Неисправный модуль может быть заменен за очень короткий промежуток времени. Современные модульные преобразователи предусматривают выкатное исполнение силовых модулей. Это сокращает среднее время восстановления оборудования, поскольку обслуживающему персоналу не требуется демонтировать весь преобразователь.

Общая шина постоянного тока

Модульная конструкция позволяет объединять несколько инверторов общей шиной постоянного тока. Это обеспечивает перетоки энергии по общей шине при одновременной работе нескольких двигателей в разных режимах (двигательный режим, торможение и т.д), что в том числе сокращает потери энергии на тормозных резисторах и потребление энергии из сети.
модульные преобразователи частоты 2.png

Оптимизация склада запасных частей

За счет использования типовых модулей при изготовлении преобразователей частоты разных мощностей, складской запас можно сократить до небольшого количества совместимых силовых и управляющих блоков. Это значительно сокращает затраты на приобретение ЗИП.

Основные критерии, которыми стоит руководствоваться при выборе той или иной конфигурации преобразователя частоты, мы постарались свести в таблицу:

Критерий	Модульная конструкция	Моноблочная конструкция
Компоновка	Отдельные силовые, питающие и управляющие модули	Основные узлы объединены в одном корпусе
Масштабирование	Мощность и число приводов можно наращивать модулями	Обычно требуется замена всего преобразователя
Резервирование	Возможно резервирование N+1 и работа при отказе части модулей	Отказ силовой части часто останавливает весь привод
Ремонт	Неисправный блок можно быстро заменить	Обычно ремонтируют или демонтируют весь аппарат
Начальная стоимость	Как правило, выше	Обычно ниже
Энергообмен	Возможен обмен энергией между двигателями через общую DC-шину	Каждый привод обычно энергетически автономен
Запасные части	Возможна унификация небольшого набора модулей	Могут потребоваться преобразователи разных типоразмеров
Обслуживание	Требуется более высокая квалификация персонала	Эксплуатация обычно проще
Типовые применения	Многодвигательные установки, большие мощности, ответственные процессы	Отдельные насосы, вентиляторы, станки и механизмы малой или средней мощности

Основные производители модульных преобразователей частоты

Производитель	Характерные серии	Основная специализация
ABB	ACS880	Промышленные многодвигательные и однодвигательные системы большой мощности: конвейерные системы; крановые электроприводы; приводы прокатных станов; приводы механизмов буровых установок; приводы испытательных стендов и т.д
Siemens	SINAMICS S120
Danfoss Drives	VACON NXP
НТЦ «Приводная техника», РФ, г. Челябинск	Моментум МТ1000/МТ2000

Заключительные положения

Разработка и производство преобразователей частоты в модульном исполнении не является тривиальной задачей.

Данный процесс требует сильной научной и производственной базы. Разработать и выпустить элементы привода, которые могут работать в многочисленных, заранее не определенных вариантах взаимодействия между собой, могут лишь компании, обладающие большими компетенциями в области электропривода.

Использование того или иного решения всегда определяет проектировщик. В данной статье мы постарались показать, что в некоторых случаях модульные преобразователи частоты имеют неоспоримые преимущества над классическими схемами.

Для одного насоса, вентилятора или другого стандартного механизма чаще достаточно стандартного однодвигательного преобразователя.

Модульная конструкция становится экономически оправданной там, где её функциональные и эксплуатационные преимущества сокращают энергопотребление, упрощают расширение системы, уменьшают потери от простоя оборудования.