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.
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.
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.
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. 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.
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. 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. 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.
