Pro a proti – napětí, nebo proud

Pro a proti – napětí, nebo proud

Rockwell Automation s. r. o.

Až donedávna by většina techniků při realizaci řízeného elektrického střídavého pohonu s velkým výkonem volila nízkonapěťový měnič frekvence, pracující s velkými proudy. Alternativa – vysokonapěťové měniče frekvence – nebyla v minulosti nikdy příliš přitažlivá pro zjevně vysokou pořizovací cenu, velké rozměry, nutnost výroby na zakázku a značné náklady na instalaci. Nedávno se však vysokonapěťové měniče frekvence, a to zejména zařízení typu Powerflex 7000 od společnosti Allen-Bradley, těchto svých dosavadních nechvalných vlastností zbavily a jsou nyní v sektoru větších výkonů skutečně zajímavou alternativou k nízkonapěťovým měničům.

Současné vysokonapěťové měniče

Zájem o vysokonapěťové měniče frekvence roste z několika důvodů. Mezi ně patří např.:

• rozšířené možnosti výběru,
• dokonalejší vlastnosti výkonových polovodičových spínacích prvků,
• větší spolehlivost,
• menší celkové náklady na pohon a jeho provoz,
• standardizace.

Dříve byla většina vysokonapěťových měničů frekvence technicky velmi náročnými produkty, jež byly vyráběny na zakázku s dodací lhůtou šest měsíců i delší. Nyní, díky dosahované vyšší úrovni standardizace, se dodací lhůty většiny „standardních„ vysokonapěťových měničů frekvence podstatně zkracují.

Obr. 1. Přechod na systémy s modulární stavbou zjednodušuje vysokonapěťové struktury měničů a přispívá k růstu jejich obliby

Uvedené příčiny současného růstu obliby vysokonapěťových měničů frekvence lze ilustrovat na již zmíněné typové řadě měničů Powerflex 7000 a její „beztransformátorové“ konstrukci, založené na použití metody zvané direct-to-drive (DTD). Metoda DTD, která se vyznačuje připojením měniče frekvence k motoru na rozdíl od dosavadních řešení přímo, bez použití izolačního transformátoru, umožňuje zmenšit rozměry zařízení o 30 až 50 % a hmotnost o 50 až 70 %. Protože odpadají také tepelné ztráty v transformátoru, je větší i celková efektivita zařízení. Nejsou-li transformátory, není nutné ani jejich chlazení. To pro uživatele znamená úsporu provozních nákladů a v souhrnu výhodu nižších celkových nákladů na pořízení a provoz pohonu.

Vysokonapěťový měnič není všelék

Že vysokonapěťové měniče frekvence vznikly a že jsou nyní častěji používány (obr. 1), nutně neznamená, že jde o řešení vhodné pro jakoukoliv úlohu s požadavky na pohon s velkým výkonem. Úlohy se jedna od druhé vždy liší, a proto tam, kde lze měnič volit (nízko- nebo vysokonapěťový), je nejúčinnější strategií analyzovat a poté porovnat přínosy každého z těchto dvou systémů z hlediska celkových nákladů (obr. 2). Porovnávat mezi sebou produkty od různých výrobců může být obtížné. Vyjde-li se však z výrobků společnosti Rockwell Automation, jejíž řada měničů Powerflex pokrývá celý rozsah výkonů (v oblasti nízkého napětí do 690 V a 1 500 kW a ve vysokonapěťové do 6 600 V), může být takové porovnání dvou konstrukcí měničů frekvence dostatečně smysluplné a poučné.

Obr. 2. Vysokonapěťové měniče frekvence nejsou univerzálním řešením pohonů velkých výkonů

Prvním faktorem, který je třeba zvážit, je cena vlastního zařízení. Navzdory nejnovějšímu vývoji nejsou vysokonapěťové měniče frekvence levné. Cena nízkonapěťového měniče frekvence s příslušným výstupním (zvyšovacím) izolačním transformátorem obvykle činí pouze 50 až 75 % ceny vysokonapěťového měniče frekvence téhož výkonu.

Stejně jako cenu zařízení je nutné vzít u obou navzájem si konkurujících systémů v úvahu také odpovídající náklady na kabeláž. U nízkonapěťových měničů jsou při velkém výkonu velké také náklady na kabely a jejich instalaci. Navíc se nízkonapěťové systémy neobejdou bez transformátoru, čímž náklady rostou o cenu elektrického vedení mezi měničem a transformátorem. Současně rovněž vyžadují velmi nákladný stíněný kabel vyhovující z hlediska požadavků na elektromagnetickou kompatibilitu (EMC). Naproti tomu u vysokonapěťových systémů jsou výdaje na kabeláž mnohem menší, a to zejména díky menšímu procházejícímu proudu a skutečnosti, že nejsou nutné speciální stíněné kabely. Při použití vysokonapěťového měniče typu Powerflex 7000 lze pak dále snížit náklady na pořízení pohonu tím, že není nutný výstupní transformátor (metoda DTD); to znamená levnější kabeláž a také jednodušší uspořádání systému (obr. 3).

„Beztransformátorová“ metoda DTD použitá u měniče Powerflex 7000 je výhodná také proto, že jedním z požadavků kladených na transformátory v nízkonapěťových systémech je potlačit harmonické. Při použití metody DTD je součástí měničů frekvence mj. velmi kompaktní předřazený aktivní usměrňovač, který potlačuje harmonické cestou aktivního spínání a jejich selektivní eliminace. Co do účinnosti je metoda DTD srovnatelná s běžnou metodou potlačení soufázových rušivých napětí (CMR), aniž by vyžadovala transformátor nebo ochranná relé transformátoru. Nabízí tudíž uživatelům významné přínosy v podobě menších nákladů na zařízení a kabeláž, jednodušší instalace a menší zastavěné podlahové plochy.

Obr. 3. Spolu s cenou vlastního zařízení je nutné vzít v úvahu náklady na kabeláž, které jsou u obou konkurujících si typů měničů odlišné

Schopnost metody DTD dosáhnout menších rozměrů zařízení má vliv ještě na další dvě oblasti, a to takové, v nichž se nízko- a vysokonapěťové měniče obvykle přímo porovnávají – jejich poměrné rozměry a hmotnost. Integrovaný nízkonapěťový systém by obecně byl rozhodně menší a lehčí než vysokonapěťový systém vycházející z konvenční architektury. Při použití metody DTD ale nebude snadné najít mezi nimi v tomto ohledu větší rozdíl.

Dalším důležitým faktorem, který je nutné zvážit, je možnost komunikace. Nízkonapěťové měniče frekvence jsou mnohem častěji vybaveny komunikačními rozhraními umožňujícími měniče zapojovat do průmyslových komunikačních sítí. I v tomto ohledu jsou ovšem nízko- i vysokonapěťové měniče frekvence řady Powerflex na špici a rovnocenné, neboť nabízejí shodné možnosti komunikace a navíc používají stejné vývojové prostředí i ostatní softwarové nástroje.

Rovněž je třeba zvážit i otázku servisu a údržby. Vysokonapěťová zařízení jsou tradičně považována za neobvyklá a složitá, zatímco se střídavými pohony s nízkonapěťovými měniči frekvence je většina techniků i údržbářů obeznámena celkem dostatečně.

Závěr

Dřívější vysokonapěťové měniče frekvence pro střídavé elektrické pohony stavěné na zakázku určitě byly dosti nepraktické a vyžadovaly péči odborníků. Ovšem přechod k modulárně strukturovaným vysokonapěťovým systémům, jejichž typickým představitelem je skupina měničů typu Powerflex 7000, přináší zjednodušení vysokonapěťových struktur, a tím umožňuje jejich stále častější použití spolu s poznáním jejich funkce na úrovni srovnatelné se znalostí nízkofrekvenčních měničů.