Společnost Siemens se významně zaměřuje na elektrické pohony. I když patří k jedněm z nejstarších výrobců frekvenčních měničů, je stále určovatelem trendů v technice elektrických pohonů. Jsou spolehlivé, bezpečné a inteligentní.
Řada Sinamics pokrývá celé výkonové a funkční spektrum frekvenčních měničů a vyznačuje se hardwarovou i softwarovou flexibilitou. Uživatelé i projektanti ocení pokročilé regulační, řídicí a bezpečnostní funkce, efektivitu návrhu pohonu i jeho zprovoznění a vysokou spolehlivost i ekonomičnost provozu. Výkony měničů řady Sinamics se pohybují od 0,1 kW až do 140 MW, při napětích 230 V až 10 kV, ve vzduchovém či vodním chlazení, vestavném, nástěnném i skříňovém provedení. Jednotlivé produkty Sinamics jsou založeny na společné hardwarové i softwarové platformě, pro kterou je charakteristická shodná implementace důležitých funkcí, uživatelských interface i komunikačních rozhraní. Kromě frekvenčních měničů zahrnuje skupina Sinamics též stejnosměrné měniče reprezentované značkou Sinamics DC Master.
Portfolio měničů dále doplňuje řada vysokonapěťových měničů Robicon Perfect Harmony s výkonem až 60 MW, vhodných především pro napětí 6 kV. K dispozici jsou však i pro 10 kV a 13,8 kV i další napěťové hladiny. Měniče Robicon se vyznačují integrovaným transformátorem a modulárním konceptem výkonové části, který umožňuje navýšit provozní dostupnost o řády výše než je tomu u jiných typů nízkonapěťových i vysokonapěťových měničů.
V dnešním článku představujeme dvě významné novinky: Sinamics G120C a Sinamics G150 Clean Power.
Kompaktní verze měniče Sinamics G120 s označením Sinamics G120C
V polovině letošního roku přibyl do produktové řady všestranných pohonů Sinamics nový člen s názvem Sinamics G120C. Jedná se o kompaktní verzi stávajícího měniče Sinamics G120. Zatímco ten je složen z kombinace řídicí a výkonové jednotky, což umožňuje vytvořit sestavu šitou na míru pro danou aplikaci, kompaktní Sinamics G120C tvoří jediný kus, slučující řídicí a výkonovou elektroniku, u nějž se zákazník rozhoduje pouze mezi variantami s komunikací USS/Modbus RTU, Profibus a CAN a variantami s odrušovacím EMC filtrem či bez něj. Na příští rok se pak připravuje i varianta s komunikačním rozhraním Profinet.
Sinamics G120C je určen k regulaci otáček asynchronních motorů se skalárním či vektorovým řízením bez zpětné vazby. Díky tomu je možné ho nasadit v množství aplikací, jako jsou dopravníky, mixery, čerpadla, ventilátory a jednoduché manipulační stroje. Nalézá tedy uplatnění jak u výrobců strojů, tak u koncových zákazníků. Měnič je k dispozici s napájením 3 x 400 V ve výkonové řadě od 0,37 do 18,5 kW. Jeho významným rysem jsou malé rozměry, za nimiž se ukrývá pestrá paleta funkcí. Patří k nimí například integrovaná bezpečnostní funkce STO (bezpečné odpojení momentu – lze aktivovat jak přes bezpečnostní vstup, tak v případě použití bezpečnostního řídicího systému i pomocí protokolu ProfiSafe), brzdná jednotka pro připojení brzdného odporníku, slot pro zasunutí MMC/SD karty pro zálohování či klonování parametrů a mnohé další. Jednotlivé měniče lze do rozvaděče umístit vedle sebe bez nutnosti ponechání volného místa po stranách, čímž lze dosáhnout vysoké koncentrace výkonu na velmi malém prostoru.
Měnič je rovněž šetrnější k přírodnímu prostředí díky vylepšenému vektorovému řízení, optimalizujícímu využití energie i režimu U/f ECO, který automaticky redukuje magnetický tok v aplikacích s nepříliš vysokou dynamikou. Spotřeba energie je přímo v měniči monitorována a rozděluje se na intervaly, kdy je měnič ve stavu „připraven“ a kdy se otáčí motorem. Použitím dvouřádkového základního ovládacího panelu (BOP-2) či plně grafického ovládacího panelu (IOP) je počáteční nastavení měniče snadnou a rychlou záležitostí. Panel IOP navíc nabízí zjednodušení diagnostiky díky textovému popisu jak parametrů, tak případných poruch. Oba panely jsou pak schopny zobrazovat současně dvě výstupní veličiny měniče najednou.
Za zmínku stojí také možnost využití aplikačních maker. V návodu „Začínáme“, který je k dispozici v češtině, existuje možnost vybrat si jedno z osmnácti předpřipravených maker (například řízení přes Profibus či USS, pevné frekvence, bezpečnostní funkce STO atd.), dále lze podle schématu propojit příslušné svorky a pomocí parametru makro je aktivovat. Následně dojde k přenastavení vstupů a výstupů, aby byla zajištěna požadovaná funkce. Uživatel tak ušetří čas, který by věnoval nastavení jednotlivých parametrů ručně. V neposlední řadě přispívá uživatelskému komfortu také možnost propojení s PC přes USB kabel (s využitím standardního nastavovacího SW Starter a běžného kabelu typu USB-mini USB) i vyjímatelné svorkovnice pro připojení jak silových, tak ovládacích kabelů. Jednotlivé svorky jsou pak opatřeny textovým popisem jejich funkce na papírových štítcích a není nutné hledat v katalogu, co se má kam připojit.
Sinamics G120C je tedy ideální volbou pro zákazníky, kteří potřebují levný, snadno ovladatelný měnič, který spoří místo a nabízí řadu funkcí postačujících pro širokou škálu jednoduchých aplikací.
Základní technické parametry:
- Napájecí napětí 3 x 380 – 480 V ± 10 %
- Rozsah výkonu 0,55 – 18,5 kW
- Řízení U/f či vektorové bez snímače
- Velmi dobrý poměr výkon/rozměry
- Snadné uvedení do provozu prostřednictvím maker, ovládacích panelů BOP-2, IOP či USB kabelu
- Vyjímatelné svorkovnice (silové i ovládací)
- V základní výbavě bezpečnostní funkce STO (bezpečné odpojení momentu)
- Možnost využití MMC či SD karty
- Možnost připojení brzdného odporníku
Sinamics G150 Clean Power
Energetická účinnost a kvalita výsledného procesu jsou hlavními argumenty pro použití frekvenčního měniče v nejrůznějších aplikacích, jakými jsou ventilátory, čerpadla, extrudéry, hnětiče, drtiče, mlýny, dopravníky, lisy či míchadla. S rostoucím výkonem a množstvím nasazování frekvenčních měničů se zvyšuje míra přirozeného působení nelineárních a vysokofrekvenčně spínaných elektrických prvků na třífázovou symetrickou napájecí síť. Jedním z hlavních fyzikálních jevů, které lze v praxi vyhodnotit jako nežádoucí vliv na síť, je nízkofrekvenční zkreslení proudu a napětí vyššími harmonickými, zkráceně harmonické zkreslení. To má za následek nekvalitní odběr elektrické energie, zatížení sítě odběrem jalového proudu. Bývá též kategorizováno jako energetické rušení. Dalším faktorem energetického rušení je například pokles účiníku na vstupu měniče, který je nezanedbatelný u měničů s proudovým meziobvodem. Nízkonapěťové frekvenční měniče řady Sinamics jsou výhradně s napěťovým stejnosměrným meziobvodem, kde pokles účiníku není výrazný ani při nízkém zatížení pohonu.
Z hlediska ochrany vůči energetickému rušení v podobě harmonického zkreslení jsou v praxi dostupná následující řešení:
- Externí laděná filtrace
- Použití tlumivek
- Vícepulzní zapojení měniče a transformátoru
- Vestavěná filtrace aktivní, širokopásmová
- Vestavěná filtrace pasivní
Siemens v kategorii pohonů velkých výkonů (cca od 100 kW výše) používá prakticky všechny varianty s následujícími okrajovými podmínkami:
Ad 1. Externí laděná filtrace je obvykle určena na míru určité sestavě pohonů. Hodí se tedy do aplikací, kde se dlouhodobě nebudou další pohony doplňovat o frekvenční měniče, případně kde jsou všechny pohony vybaveny frekvenčními měniči. Filtraci musí navrhnout a spočítat zkušený projektant na základě dodaných podkladů o pohonech.
Ad 2. Použití vstupních (síťových, komutačních) tlumivek je prakticky samozřejmostí u všech pohonů, které nemají samostatný napájecí transformátor. Tlumivka slouží též jako ochrana měniče před síťovými nestabilitami. Při vyhodnocení účinků tlumivky na zkreslení napájecí sítě dojdeme však vždy k závěru, že působení tlumivky není v tomto směru až tak zásadní a ve většině případů neumožňuje splnění norem.
Ad 3. Vícepulsní zapojení transformátoru je velmi vhodná a energeticky úsporná forma eliminace harmonického zkreslení. Vyžaduje však výrazné navýšení ceny pohonu jako celku o složitější transformátor, vyplácí se tedy až pro vyšší výkony – cca od 1 MW, kde obvykle již bývá nutno samostatný transformátor požít z důvodu nedostatku výkonové rezervy v nn síti 3AC 400 V.
Ad 4. Aktivní širokopásmová filtrace je rovněž používanou technologií v řadě Sinamics s názvem Active Infeed. Je však doprovázena standardní možností rekuperace, díky které rostou nežádoucí investiční náklady. Je pro ní též charakteristická poměrně nízká účinnost (nižší než zapojení s transformátorem nebo pasivním filtrem). Ze statistického hlediska je použití více aktivních prvků doprovázeno nižší spolehlivostí.
Ad 5. Pasivní filtrace je jednou z historicky nejstarších metod a využívá kompaktní a robustní provedení pasivních prvků s vysokou spolehlivostí a nízkými ztrátami.
Díky uvedeným výhodám pasivní filtrace má Siemens pro výkony od 75 kW k dispozici toto řešení, které se v nedávné době dočkalo inovace v podobě implementace filtru do skříně měniče. Měnič z řady Sinamics, typ G150, nabízí přednosti jednoduchého a robustního usměrňovače v šestipulzním zapojení v kombinaci s vestavěným kompaktním pasivním filtrem typu LHF compact (Line Harmonics Filter compact).
LHF filtr je oscilační obvod, který je z pohledu měniče naladěn tak, aby filtroval nejvíce zastoupenou pátou a sedmou harmonickou proudu odebíraného měničem ze sítě. Z pohledu sítě tvoří spolu s impedancí napájecí sítě rezonanční obvod, který má rezonanční kmitočet na úrovni třetí harmonické napájecího napětí, která se v napájecí síti nenachází. Tímto způsobem je zajištěno, aby filtr nebyl přetížen případným harmonickým zkreslením sítě a účinně filtroval pouze harmonické zkreslení vytvářené připojeným měničem.
Sinamics G150 Clean Power sám o sobě plní požadavky i tak přísných norem, jako jsou:
- IEEE 519,
- EN 61000-2-4 třídy 2 i při stoprocentní měničové zátěži transformátoru nebo sítě.
Filtr typu LHF z podstaty své koncepce nevyžaduje žádné aktivní součástky ani složité transformátory. Filtrace harmonického zkreslení je integrovaná v měniči a není tedy nutné žádné dodatečné filtrační zařízení nebo opatření, což vede k investičním úsporám i úsporám v provozování zařízení. Koncepce řešení integrovaného filtry má tyto další výhody:
- velmi nízkou poruchovost, která je zajištěna vysoce spolehlivými pasivními součástkami. Nedochází k mechanickému opotřebení a jedná se o zařízení odolné vůči mechanickému zatížení nebo elektrickým poruchám. Ve srovnání s filtry používajícími aktivní prvky je provozní spolehlivost (MTBF) až o 75 % vyšší.
Díky absenci aktivních spínacích prvků a vysoce jakostnímu nízkoztrátovému oscilačnímu obvodu dochází pouze k minimálnímu dodatečnému snížení účinnosti pohonu. Úspora energie: v porovnání s aktivně spínaným usměrňovačem (AFE) lze dosáhnout až o 50 % nižší ztráty.
Měnič v rozvaděčovém provedení s filtrem si dále zachovává svou širokou konfigurovatelnost a variabilitu v podobě mnohých doplňujících rozšíření a voleb. K nejvýznamnějším patří například různé stupně krytí, bezpečnostní funkce, monitorování motoru, nadstandardní výbava rozvaděče, vodní chlazení, různé druhy výstupních filtrů a podobně.
Další nezanedbatelnou výhodou jsou i kompaktní rozměry měniče. Oproti standardnímu provedení měniče Sinamics G150 je verze Clean Power rozšířená pouze o 400 mm, nebo 600 mm skříň. Navíc odpadá použití speciálního transformátoru se třemi vinutími. Ten se využívá pro 12pulsní zapojení, přičemž úroveň harmonického zkreslení s LHF filtrem je prakticky nižší, než při tomto typu zapojení. V případě napájení ze sítě 400 V se často používá napájení více pohonů z jednoho transformátoru a 12pulsní zapojení tedy nelze realizovat. Měniče s integrovaným filtrem LHF jsou v těchto případech vhodným řešením za příznivou cenu. V závislosti na výkonu se měnič standardně dodává s pojistkovým odpojovačem nebo výkonový vypínačem. Uvedené komponenty navíc jistí kromě samotného měniče i vlastní filtr a není tedy nutné dvojí jištění, které je nutno realizovat v případech, kdy filtr není integrován v měniči. Jednou z nevýhod pasivních filtrů může být kapacitní zatížení sítě i při vypnutém měniči. Uvedená topologie měniče Sinamics G150 zajistí, že při vypnutí hlavního stykače měniče dojde k součastnému odpojení LHF filtru od sítě.
Filtr dále způsobuje, že měnič i při plné zátěži představuje pro síť kapacitní zátěž (účiník cca 0,97). Tuto vlastnost je možné také považovat za výhodu vzhledem k možnosti kompenzace indukčního jalového výkonu ostatních zařízení.
Závěrem lze konstatovat, že výše popsané novinky z obou částí výkonového spektra doplňují produktovou skupinu Sinamics a rozšiřují tak možnosti dosažitelné s pohony značky Siemens v rámci plně integrované automatizace (TIA – Totally Integrated Automation).
