Матричные преобразователи частоты U1000 – будущее уже сегодня

   Преобразователь частоты стал неотъемлемой частью современного производства. Устройство, предназначенное для регулирования электропривода переменного тока, прочно вошло в жизнь каждого человека, связавшего свою профессиональную деятельность с электротехнической, машиностроительной и рядом других промышленностей. На сегодняшний день большее распространение остается за преобразователями частоты на базе автономного инвертора напряжения (АИН) – устройства, преобразующего постоянное напряжение в переменное. Иными словами, в стандартном ПЧ происходит два преобразования энергии: из переменного в постоянное посредством выпрямителя, из постоянного в переменное с помощью АИН. В связи с простотой реализации топологии, выверенными на протяжении многих лет технологиями стандартных ПЧ, а также несовершенством полупроводниковой элементной базы на начальных этапах освоения преобразовательной техники, к настоящему времени абсолютно незаслуженно были позабыты перспективные и интересные в изучении матричные преобразователи частоты или циклоконвертеры. Но позабыты не всеми: Компания YASKAWA на сегодняшний день – единственный производитель общепромышленных матричных преобразователей частоты.
   Матричные преобразователи частоты (МПЧ) относятся к так называемым преобразователям с непосредственной связью: это означает, что в них происходит прямое преобразование входного переменного напряжения в выходное напряжение с заданными действующим значением и частотой без дополнительных трансформаций. Это и является основной особенностью и наиболее значимой отличительной чертой таких устройств. Топология МПЧ (рисунок 1) такова, что обеспечивает беспрепятственный двусторонний обмен энергией. Сразу бросается в глаза количество ключей МПЧ: их в три раза больше, чем в традиционном ПЧ на базе АИН. Это сделано для объединения потенциала фаз входного напряжения при формировании заданного напряжения на выходе.

Ris 1_Topology MPCH_YASKAWA U1000
Рисунок 1. Топология МПЧ

Принцип работы МПЧ

   Рассмотрим принцип формирования выходного напряжения с заданной частотой в МПЧ. Для этого представим упрощенную схему преобразователя рисунок 2.

Ris 2_MPCH_topology_YASKAWA U1000
Рисунок 2. Упрощенная топология МПЧ

   В соответствии с определенным законом коммутации ключей можно сформировать напряжение заданной частоты. Трехфазное входное напряжение преобразуется в виртуальную шину постоянного тока, в которой можно увидеть минимальный, средний и максимальный уровни напряжения. Где за положительную шину принимается максимальное значение напряжения – суммарная кривая всех максимальных положительных участков синусоид трехфазного напряжения, а за отрицательную – минимальное - суммарная кривая всех минимальных отрицательных участков синусоид напряжения, их разность и будет являться виртуальной шиной постоянного тока, существование которой возможно только при включенном питании. Схемой замещения МПЧ, в данном режиме, в грубом приближении можно считать двухзвенный преобразователь частоты (ПЧ) с неуправляемым мостовым выпрямителем и ШИМ-инвертором без звена постоянного тока.

Ris 3_virtual DC_YASKAWA U1000
Рисунок 3. Формирование виртуальной шины постоянного тока.

   В дальнейшем из виртуальной шины постоянного тока посредством ШИМ формируется напряжение с заданной амплитудой и частотой, аналогично с АИН. На рисунке 4 представлен принцип формирования ШИМ в стандартных ПЧ с АИН и в циклоконвертерах типа МПЧ. Здесь мы видим аналогичное изменение ширины импульса при использовании опорного напряжения треугольной формы.
Ris 4_PWM_YASKAWA U1000.PNG
Рисунок 4.Формирование выходного напряжения при помощи ШИМ в стандартном ПЧ (сверху) и МПЧ (снизу). 

   В результате, при различных топологиях результат на выходе каждого типа преобразователей, получается почти одинаковым (рисунок 5), за исключением того, что форма фазного напряжения на выходе МПЧ благодаря добавлению к первой гармонике третьей, получается более гладкой, форма тока на выходе МПЧ получается более приближенной к идеальной синусоиде чем в стандартных ПЧ с АИН, но действующее значение напряжения на выходе в результате заложенного алгоритма управления составляет 0,86 от входного при номинальной нагрузке. Так как реальное звено постоянного тока содержит конденсаторную батарею, которая увеличивает в АИН среднее значение напряжения, обеспечивает развязку с сетью, выступая в роли демпфера, что позволяет формировать напряжение на выходе равное входному, но коммутировать приходиться всегда среднее напряжение звена постоянного тока. В результате этого к обмоткам двигателя прикладываются значительные пиковые значения напряжения равные 2 Udc – двойное напряжение звена постоянного тока. При формировании фазного напряжения в МПЧ привязка происходит к фазам входного напряжения, посредством сложения нескольких фазных потенциалов удается добиться на выходе меньших пиковых значений напряжения, а это, в свою очередь, благоприятно сказывается на сроке службы двигателя. 

Ris 5_output voltage_YASKAWA U1000.PNG
Рисунок 5. Сравнение токов и напряжения на выходе стандартного и матричного ПЧ.

Ключевые особенности использования МПЧ

   Также стоит упомянуть, что МПЧ позволяют работать в тормозных режимах, обеспечивая технологический процесс возможностью обмена энергией с сетью без дополнительных устройств. В стандартном ПЧ на базе АИН используется неуправляемый трехфазный выпрямитель, обладающий одним значительным минусом – отсутствием возможности отдачи энергии обратно в сеть, так как диоды проводят ток лишь в одном направлении. В связи с этим, работая в генераторных режимах, было два пути избежать перенапряжение на звене постоянного тока: либо рассеивать энергию на дополнительных сопротивлениях (тормозных резисторах), либо устанавливать дорогостоящие активные выпрямители на базе GTO - тиристоров или IGBT –транзисторов. В матричном преобразователе об этом позаботились на этапе разработки схемы: встречно-соединённые ключи позволяют выбирать направление потока энергии: из сети или в сеть. Учитывая, что электроэнергия с каждым годом не становится дешевле, технология МПЧ позволит добиться значительного экономического эффекта в применениях с ярко выраженными режимами торможения и рекуперации. В условиях увеличения цен на энергоносители, экономия электроэнергии набирает все большую актуальность. Если учесть, что в некоторых применениях до 50% рабочего цикла может осуществляться возврат накопленной кинетической энергии в сеть (режимы рекуперативного торможения), то экономия составит до половины, затрачиваемой на электроэнергию, суммы. Было подсчитано, что преобразователь частоты CIMR – UC4E0180AAA, работающий с двигателем мощностью 90 кВт окупится через год непрерывного использования с усредненной тарификации электроэнергии в условиях нашей страны.
   Приведем пример простейшего оценочного расчета: средняя стоимость 1кВт*ч электроэнергии по Пермскому краю составляет 6,0 руб. Если 50% рабочего цикла будет происходить рекуперация, то двигатель мощностью 90 кВт будет отдавать в сеть половину мощности за оставшееся время цикла. Экономия в час составит 6*90*0,5*0,96=259,2 руб, в день – 259,2*24=6220, в месяц – 6220,8*30= 186624, а в год достигнет 186624*12=2239488 руб, что покроет стоимость матричного преобразователя частоты. 

   Технология МПЧ позволяет использовать как ШИМ – широтно-импульсную модуляцию - для формирования выходного напряжения, так и работать в режиме Байпас (рисунок 6) – прекращение работы ШИМ и включение двигателя через замкнутые ключи напрямую в сеть. В таком преобразователе нет необходимости устанавливать дополнительный шунтирующий контактор, который бы переключал двигатель на сеть при достижении 50 Гц частоты выходного напряжения. Этот режим чрезвычайно выгоден при работе с вентиляторами и насосами, так как в этих применениях при регулировании привода используется скалярное управление. 
Ris 6_bypass_YASKAWA U1000.PNG
Рисунок 6. Режим Bypass в МПЧ.

   МПЧ обладает еще одним значительным преимуществом перед стандартными ПЧ – его КНИ (коэффициент нелинейных искажений) тока в сеть меньше 5%(рисунок 7) при номинальной нагрузке, следовательно, его использование не ухудшает качество питающей сети. В преобразователях YASKAWA U1000 заложена функция увеличения выходного напряжения до 92% от входного с увеличением КНИ до 12%. Долгое время считалось, что теоретический предел выходного напряжения для МПЧ составляет 0,86 от входного, но инженерам компании YASKAWA удалось добиться увеличения этого значения – теперь напряжения вполне достаточно для корректной работы двигателя в любой системе электропривода. При этом КНИ остается значительно лучше, чем в случае с обычным ПЧ и активным фильтром. Эта функция включается автоматически, но может быть отключена, если требования к чистоте питающей сети высоки.
Ris 7_THD Matrix_YASKAWA U1000.png
Рисунок 7. Спектр гармоник для обычного ПЧ (слева) и матричного (справа) 

   Стоит упомянуть о значительном коэффициенте полезного действия МПЧ YASKAWA – >96%! Это значение выше чем у большинства других рекуперативных решений с пассивными/активными фильтрами или многофазными трансформаторами.
Матричные преобразователи YASKAWA U1000 позволяют работать во всех режимах, доступных стандартному ПЧ. Абсолютная совместимость с опциональными платами обратной связи, промышленных интерфейсов, а также расширения дискретных/аналоговых входов/выходов, дает возможность установить преобразователь в любую промышленную систему, обеспечив максимальную эффективность всех требуемых процессов. 

Заключение

   Матричный преобразователь частоты является перспективным направлением для внедрения в системы электропривода. В западных странах таких как США и Германия уже активно ведется установка МПЧ в различных областях промышленности. Приобретая матричный преобразователь частоты YASKAWA U1000, вы значительно улучшаете качество вашего производственного процесса. Использование МПЧ позволяет устранить необходимость установки тормозных резисторов, что существенно скажется на габаритах системы и ваших заботах об осуществлении теплоотвода; кинетическая энергия механизма теперь может беспрепятственно быть возвращена в сеть, таким образом, будет достигнут лучший экономический эффект за счет и рекуперации, и увеличенного КПД системы. Улучшение коэффициента нелинейных искажений благоприятно скажется на общем состоянии питающей сети: это снизит нагрев трансформатора и позволит установить другие электрические компоненты, не опасаясь их выхода из строя. С улучшением КНИ, также улучшится электромагнитная совместимость на производстве: снизятся индуктивные помехи из-за которых могут наводится значительные напряжения на все проводники и устройства.


ПРИМЕНЕНИЕ МАТРИЧНЫХ ЧАСТОТНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ YASKAWA U1000 В МАШИНОСТРОЕНИИ

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫБОРУ ДЛИН КАБЕЛЕЙ, СОЕДИНЯЮЩИХ ЧАСТОТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ

СИНХРОННЫЕ РЕАКТИВНЫЕ ДВИГАТЕЛИ (СРД)