Преобразователи частоты-2018: современные тенденции

Об энергоэффективности, текущей ситуации на российском рынке ПЧ и новейших тенденциях в сегменте частотно-регулируемого привода журнал "Конструктор. Машиностроитель" побеседовал с экспертами компаний «Сименс» и «СЕВ-ЕВРОДРАЙФ».

KM: Сегодня в мировой приводной технике активно предлагаются бездатчиковые решения. Точный контроль тока позволяет определить даже износ инструмента станка. Насколько востребованы такие решения?

Александр Казачков, «Сименс»
SIEMENS идет по пути активного развития подобных технологий. Можно даже сказать, что мы хорошо выполнили свой урок по функциям безопасности (которые как раз предупреждают нежелательное вращение привода или выход параметров из допустимой зоны) и перешли к следующей теме - развитию интеллектуальных функций в составе привода с потребительской точки зрения.

Новые высоковольтные ПЧ Sinamics GH180 Performance Line будут способны оценивать режим привода и сообщать о необычном соотношении, например, скорости и потребляемой мощности. Это позволит определить износ или, к примеру, нарушения в системе смазки уже на ранней стадии. Для низковольтных ПЧ подобные решения доступны уже в базовой конфигурации, для высоковольтных это пока уникальная технология.

Новейший преобразователь частоты MOVIDRIVE Modular компании SEW-EURODRIVE отличает большая гибкость в отношении интерфейсов связи, типов двигателей и функциональности. В комплектацию входит инновационная технология «одного кабеля» MOVILINK DDI

KM: Срок службы преобразователей частоты достигает нескольких десятилетий. Во время покупки, конечно, мало кто ориентируется на такой период, но какими современными опциями  не стоит пренебрегать «на перспективу»?

Алексей Доррер, «СЕВ-ЕВРОДРАЙФ»
Очень важно архивировать на компьютере все параметры и программы, загруженные в ПЧ. Это помогает сократить затраты времени как при замене изделия при отказе, так и при переходе на новые серии преобразователей. Таким образом, в комплект поставки всегда должны входить опции для настройки ПЧ от компьютера.

Александр Казачков, «Сименс»
В такой перспективе не стоит пренебрегать проверенным брендом. В компании SIEMENS по любому продукту, даже очень старому, можно получить поддержку в течение еще не менее десяти лет после прекращения производства. Так, актуальная линейка DC-преобразователей SINAMICS DCM изначально разработана с учетом совместимости с аналоговыми SIMOREG K, производившимися еще в 1990-х.

KM: Энергоэффективность частотно-регулируемого привода (ЧРП) определяет совокупность показателей всех компонентов, например, цилиндро-червячный редуктор способен испортить любую картину. Предлагаете ли вы решения «под ключ», объединяющие и электрическую часть, и механику?

Алексей Доррер, «СЕВ-ЕВРОДРАЙФ»
Компания SEW-EURODRIVE производит как электромеханические элементы привода (электродвигатели, мотор-редукторы), так и преобразователи частоты (ПЧ). Например, более десяти лет назад компания представила на рынке мехатронный привод Movigear, объединяющий в одном компактном корпусе двигатель, редуктор и управляющую электронику. Он отличается наивысшим классом энергоэффективности IE4 и позволяет экономить до 50% электроэнергии по сравнению со стандартными асинхронными мотор-редукторами.

Мы можем выполнить расчет энергоэффективности системы привода в целом. Для заказчиков на нашем сайте предоставляется онлайн-инструмент по оценке энергоэффективности привода.

Комбинация приводной электроники, синхронного серводвигателя и редуктора - мехатронный привод Movigear. Активно используется в логистике, автомобильной, пищевой, химической и фармацевтической отраслях промышленности

Александр Казачков, «Сименс»

Разумеется. Компания «Сименс» одна из немногих, способных предложить все компоненты привода, причем речь идет о компонентах собственного производства.

KM: Функция рекуперации повышает энергоэффективность системы, а также избавляет оборудование от нагрева при торможении. Что мешает внедрению рекуперации в России?

Александр Казачков, «Сименс»
Рекуперация широко используется в электротранспорте. Что касается промышленного производства, то я бы обозначил следующие факторы:
- повышенная стоимость самого решения;
- отсутствие проработанной законодательной / договорной базы (предприятие не может быть потребителем или генератором по произвольному выбору);
- ограниченное количество процессов, где реально присутствует возможность длительной рекуперации, чтобы говорить об энергетических резервах.

Что касается нагрева, то торможение зачастую связано с аварийной ситуацией. А аварийная ситуация, как правило, сопряжена с проблемами в сети или преднамеренным снятием напряжения. Что в итоге делает рекуперацию неудачным решением, рекуперировать просто некуда.

В настоящее время я бы обратил больше внимания на рекуперацию энергии в подъемных механизмах. Так, мобильный подъемный кран с питанием от дизельгенератора может экономить до 30 % топлива при использовании новых преобразователей SINAMICS DCP.

DCP – двунаправленный преобразователь DC=DC, позволяющий направить, например, излишнюю энергию при опускании груза в суперконденсатор. И затем потратить ее на подъем.

Также DCP можно использовать в бустерах (устройствах подпитки) для звена постоянного тока, в том числе уже установленных ПЧ, для придания им стойкости к краткоременным (0-10 сек) провалам или колебаниям питающей сети. В данном случае DCP сначала зарядит суперконденсатор, а затем вернет энергию в ПЧ, обеспечивая «незаметное» прохождение сетевых проблем.

Алексей Доррер, «СЕВ-ЕВРОДРАЙФ»
Можно назвать два фактора, ограничивающих применения рекуператоров. Во-первых, это срок окупаемости. Стоимость рекуператора сопоставима с ценой преобразователя частоты аналогичной мощности. При текущих ценах на электроэнергию срок окупаемости привода с рекуператором в среднем составляет более пяти лет. Второй фактор – рекуператоры требовательны к качеству питающей сети. Например, нельзя использовать устройства рекуперации при троллейном питании.

KM: Какие модели преобразователей частоты пополнили ваш портфель в этом году?

Александр Казачков, «Сименс»
Низковольтные преобразователи частоты SINAMICS G120P 690В 560-630кВт (развитие линейки), ПЧ с самыми современными силовыми компонентами, новый стандарт по реализуемым режимам и КПД - SINAMICS S120 Innovation; высоковольтные преобразователи частоты с активным фронтом (рекуперацией) SINAMICS SH150 – это решение для питания самых сложных объектов для мощностей 5-15+ МВт.

Алексей Доррер, «СЕВ-ЕВРОДРАЙФ»
Сегодня уже никого не удивить появлением новых моделей преобразователей частоты. Наша компания представила модульную автоматизированную систему MOVI-C для управления двигателями любых типов. Одна из ее впечатляющих характеристик – от момента подключения всех кабелей до вращения вала двигателя требуется всего около 15 с. В следующем году начнутся поставки в Западной Европе.

KM: Десять лет назад уровень использования ПЧ в России оценивался экспертами в пределах от «достаточно низкого» до «крайне недостаточного». Какова ситуация сегодня?

Алексей Доррер, «СЕВ-ЕВРОДРАЙФ»
Год от года в России доля преобразователей частоты относительно общего числа электродвигателей увеличивается. Уровень использования ПЧ зависит от отрасли и конкретной установки. В высокотехнологичных отраслях доля применения ПЧ в России не отличается от индустриально развитых стран.

Александр Казачков, «Сименс»
Ситуация с «практически нет» сменилась на настороженное отношение, с требованиями применять байпасс ПЧ и сохранять возможность прямого пуска. Это тормозит реальное использование преимуществ современных технологий электропривода и увеличивает инвестиционный порог на внедрение.

KM: Для каких применений в составе ЧРП лучше подходят синхронные двигатели, а для каких – асинхронные?

Алексей Доррер, «СЕВ-ЕВРОДРАЙФ»
Синхронные двигатели имеют более высокий КПД относительно асинхронных, поэтому часто применяются в установках большой мощности.

Еще одно преимущество синхронных двигателей - их КПД гораздо меньше зависит от нагрузки и частоты питания. Таким образом, вторая область, где выгоднее применять синхронные двигатели, – установки с большим диапазоном регулирования скорости и непрерывным режимом работы. Например, конвейерные системы на пищевых производствах и в производстве напитков.

В настоящее время ограничивающим фактором для широкого применения синхронных двигателей является их более высокая цена.

Александр Казачков, «Сименс»
Синхронные электродвигатели в составе ЧРП имеют явные преимущества только в случае использования современных синхронно-реактивных двигателей или двигателей с постоянными магнитами. ЧРП нивелирует недостатки асинхронного электродвигателя и позволяет обеспечить тяжелый пуск, регулируемый кос и компенсацию реактивной мощности, устойчивость к просадкам питающего напряжения и так далее.

Не стоит, конечно, забывать о станочных приводах и робототехнике, где синхронные моторы обеспечивают лучшее качество регулирования и шаговые режимы; а также о приводах гигантских мощностей и моментов, где использование асинхронных двигателей ограничено чисто конструктивными проблемами (напр., у них малый воздушный зазор).

KM: На промышленных предприятиях эксплуатируются сотни и тысячи электродвигателей. Помогает ли упростить их обслуживание Predictive Maintenance?

Александр Казачков, «Сименс»
SIEMENS предлагает новый интеллектуальный датчик SIMOTICS CONNECT 400, который в перспективе позволит охватить облачной системой контроля практически любой компактный двигатель. Все, что для этого потребуется, – возможность Wi-Fi подключения, т.к. все необходимые сенсоры, адаптеры и батарея питания уже встроены в датчик.

Для получения, анализа и визуализации параметров оборудования пользователь должен будет выбрать тарифный план и приложение обработки, так же как для пользования, скажем, «Яндекс-музыкой». Это кардинальное отличие от существующих громоздких систем мониторинга – простой и удобный контроль для любой задачи.

С такой базой Predictive Maintenance может превратиться в основной вид сервисного обслуживания – произойдет переход от «сервиса по расписанию» к «сервису по требованию». Для любой установки будет возможно заранее оценить степень износа и потребность в сервисе или ремонте. А также быть готовым к аварийным ситуациям: достаточно сложно своевременно обнаружить дефект, ограничиваясь рамками стандартных ежегодных или полугодовых интервалов сервисного обслуживания.

KM: Приходилось ли вам использовать ЧРП в гидравлике?

Алексей Доррер, «СЕВ-ЕВРОДРАЙФ»
У нас есть опыт применения сервоприводов в качестве регулятора мощных гидросистем. Низколюфтовый мотор-редуктор с серводвигателем используется для управления гидравлическим распределителем. Высокая точность сервопривода в режиме позиционирования и его быстродействие обеспечивают прецизионный контроль исполнительного механизма по быстродействующей цифровой шине. Широкие возможности сервоусилителя SEW-EURODRIVE по адаптивной настройке и диагностике позволяют в режиме реального времени менять параметры привода, собирать статистику работы механизма и заранее планировать его техническое обслуживание.

KM: Россия имеет большой парк электродвигателей среднего напряжения. Т.к. ПЧ для них недешевы, возникла идея замены таких двигателей на низковольтную пару «электродвигатель плюс ПЧ». Получил ли этот вариант популярность?

Александр Казачков, «Сименс»
Двухтрансформаторная схема не имеет в настоящее время преимуществ перед любыми другими. Замена высоковольтного двигателя на низковольтный + ПЧ не очень популярна. В связи с резким снижением цен на высоковольтные ПЧ по многоуровневой схеме (типа SINAMICS GH180) прямой выигрыш очевиден до мощностей примерно 400-500 кВт, свыше - установка высоковольтных ПЧ дешевле по совокупности затрат – не нужно менять кабели, адаптировать новый мотор к посадочным размерам и т. д.

Низковольтный ПЧ и новый мотор – это скорее инвестиция в будущее, надежная работа на многие годы, более высокий КПД плюс расширенные функции. Экономическую эффективность имеет при комплексном проектировании, с КТП на 380-690 В. Для единичного привода такое решение воспринимается заказчиками скептически.

KM: Интеграторы и потребители отмечают рост качества китайских ПЧ и все активнее применяют их не только в бюджетных проектах. Разделяете ли вы точку зрения, что в нижнем и среднем ценовых диапазонах известные бренды постепенно вытесняются азиатской продукцией?

Александр Казачков, «Сименс»
Не совсем корректная формулировка. Большинство известных брендов уже поставляют на российский рынок в основном продукцию из Китая. В том числе некоторые «российские» бренды, которые на самом деле являются brand-labelling китайских и тайваньских производителей. Поэтому речь не идет о смене бренда, скорее о применении стандартов качества и повышения уровня производства заводов Китая до требований масс-маркета.

Это сопровождается продолжающимся снижением цен. В итоге у потребителя нет необходимости покупать какое-то неизвестное изделие или новый бренд. И одновременно то, что он купит, будет азиатским продуктом.

Алексей Доррер, «СЕВ-ЕВРОДРАЙФ»
Понятие «китайские ПЧ» уже неточно описывает ситуацию на рынке. Известные европейские и американские фирмы много лет производят преобразователи частоты в Азии. Оборудование условно делится на сегменты: премиум, стандарт и низкобюджетный. Для тех применений, где надежность стоит на первом месте, критически важным является соответствие заявленных и фактических параметров, особенно по сроку службы. А это могут подтвердить только крупные фирмы, долгое время работающие на рынке. В таких применениях используют комплектующие класса премиум. И проектировщику неважно, что стоит в поле Made in…. на заводской табличке преобразователя.

SEW-EURODRIVE не следует этому тренду и производит электронику только в Европе – на заводах в Германии и Великобритании.

KM: В чем заключается опасность использования дешевых преобразователей в стандартных общепромышленных применениях?

Алексей Доррер, «СЕВ-ЕВРОДРАЙФ»
Проблемы, связанные с применением низкобюджетных технических решений в промышленности известны не только по рынку ПЧ. В общем, это отсутствие поддержки полного жизненного цикла изделия со стороны производителя. Для потребительских товаров это менее критично, но в промышленности приводит к большим финансовым потерям. Причиной могут быть низкий ресурс ПЧ, отсутствие запасных частей, плохая техническая поддержка и т. д.

Александр Казачков, «Сименс»
Низкая стоимость рабочей силы и обширные рынки сбыта позволяют азиатским производителям серьезно конкурировать с европейскими и американскими заводами. Это ни для кого не секрет.

Но если разница в цене двух предложений очень значительна, то тут есть другие причины:

- примитивная система управления (т.е. только скалярное управление, неэффективные режимы = низкий суммарный КПД, бедность функций). Минус НИОКР;

- экономия на материалах и схемных решениях. Если, например, снизить емкость звена постоянного тока – поставить меньше дорогих электролитических конденсаторов, то ПЧ будет работать. Но результат – это искажение формы выходного тока, перегрев и ускоренный выход из строя электродвигателя. Другой пример – недостаточная изоляция и зазоры, малые сечения проводников – в условиях загрязнения и повышенной температуры ПЧ быстро выходит из строя, иногда попутно уничтожая другое оборудование. Как мы знаем, скупой платит дважды.

KM: Каковы самые распространенные причины выхода частотных преобразователей из строя?

Александр Казачков, «Сименс»
ПЧ SIEMENS имеют очень высокую надежность, и случаи отказов достаточно редки. До половины из них связаны с ошибками персонала (некорректная пусконаладка или электрическое подключение) и плохим качеством моторов (КЗ в нагрузке или систематические перегрузки). Остальное, как правило, относится к браку отдельных покупных компонентов.

Алексей Доррер, «СЕВ-ЕВРОДРАЙФ»
По статистике нашего отдела сервиса, чаще всего причиной отказов являются ошибки при проектировании и монтаже, а также несоблюдение условий эксплуатации. Короче говоря – человеческий фактор.

KM: Как изменился рынок высоковольтных ПЧ за последние три – пять лет?

Александр Казачков, «Сименс»
Технология многоуровневого высоковольтного ПЧ по схеме инвертора напряжения получила широчайшее распостранение. Многие компании развернули сборку таких преобразователей из компонентов азиатского производства, той или иной степени локализации. Некоторые компании, обладавшие ранее своими уникальными высоковольтными технологиями, также перешли к производству таких ПЧ. Это все в сумме породило жесточайшую конкуренцию и значительное снижение цен. При этом как такового роста рынка в ценовом выражении не произошло, в том числе по причине общей экономической ситуации.

KM: В ЕС вновь заговорили о промышленных сетях постоянного тока. Десятки предприятий и несколько институтов исследуют возможности их внедрения. Как вы оцениваете перспективы этого шага? Как это отразится на рынке ПЧ?

Алексей Доррер, «СЕВ-ЕВРОДРАЙФ»
В ближайшее время вряд ли возможно широкое применение электросетей на постоянном токе в промышленности. Вероятнее всего появление энергетических хабов – систем, подсоединенных через выпрямитель к трехфазной сети и обеспечивающих на стороне звена постоянного тока следующие характеристики: снижение пиков потребления и подводимой мощности, уменьшение сечения питающих кабелей, большую стабильность, циркуляцию энергии внутри системы, подключение потребителей с разным уровнем напряжения, мониторинг всех ключевых параметров.

Александр Казачков, «Сименс»
SIEMENS полностью готов к этому. Силовые ячейки M2C позволяют преобразовывать промышленные напряжения из переменного в постоянный и обратно. Они применены, например, в Trans Bay Cable - кабельной линии в Калифорнии, передающей 400 МВт мощности при напряжении 200 кВ DC. Однако в том, что касается применения сетей DC для питания ПЧ, мне кажется, что об этом говорить пока преждевременно...