SCADA, АСУ ТП, контроллеры – основная тематика журнала «ИСУП»
Журнал «Информатизация и Системы Управления в Промышленности» публикует тематические материалы посвященные SCADA, АСУ ТП, контроллерам, автоматизации в промышленности.

Матричные преобразователи частоты

В статье рассмотрены особенности конструкции матричных преобразователей частоты, их преимущества перед обычными ПЧ, области применения, а также модельный ряд ­матричных преобразователей частоты компании YASKAWA.

ООО «КоСПА», г. Москва

cospa_logo.gif

Матричные преобразователи частоты (МПЧ) – одно из самых инновационных и перспективных решений в сфере экономии энергии и развития электропривода. Снижение стоимости производства, увеличение модельного ряда и опциональных устройств позволяют расширить сферу применения частотных преобразователей в промышленности.

В чем же заключаются преимущества матричных преобразователей частоты перед «обычными»? Рассмотрим особенности их технологии и область применения, в качестве примера приведем матричные преобразователи частоты производства компании YASKAWA – AC Matrix и FSDrive-MX1S.


Технология МПЧ

В обычном преобразователе частоты входное переменное напряжение с помощью выпрямителя (диодного моста) преобразуется в напряжение постоянного тока, питающее в свою очередь выходной инверторный мост. А последний уже формирует выходной сигнал переменного тока, подаваемый на двигатель. Частота и напряжение переменного тока на выходе привода постоянно регулируется контуром управления, и, таким образом, двигатель выдает нужную скорость и крутящий момент.

Эта схема стала уже настолько привычной, что легко позабыть о целом ряде ее недостатков:
- мостовые выпрямители переменного тока передают высокий уровень гармоник обратно в источник питания (сеть), а также имеют низкий коэффициент мощности;
- звено постоянного тока между выпрямителем и инвертором требует применения громоздких электролитических конденсаторов. А они не только занимают много места, но и являются деталями, значительно сокращающими срок службы привода, поскольку со временем теряют емкость, особенно при эксплуатации привода в помещениях с повышенной температурой;
- в обычных конструкциях преобразователей частоты подача энергии однонаправленна, а значит, для торможения и режима рекуперации (возвращения энергии) требуется установка тормозного резистора. То есть драгоценная электроэнергия просто перерабатывается в бесполезный нагрев окружающего воздуха. Правда, существует решение с дополнительными блоками рекуперации, но оно повышает стоимость электропривода в 2–2,5 раза, увеличивает габариты и сложность системы, так как блок рекуперации представляет собой отдельное устройство со своей схемой управления.

Технология матричного преобразователя позволяет решить все эти насущные проблемы. В принципе новая технология не столь сложна: три фазы питания подключаются к двигателю посредством матрицы полупроводниковых двунаправленных переключателей (рис. 1). При упорядоченной работе этих переключателей напряжение и частота выходной мощности двигателя могут регулироваться с высокой точностью.

Ris.1.png

Рис. 1. Структурная схема матричного преобразователя

Матричный преобразователь принадлежит к группе преобразователей частоты с непосредственной связью (без промежуточного звена постоянного тока), или НПЧ. Исторически первыми появились именно НПЧ, но, к сожалению, из-за несовершенства силовой электроники того времени использовать их можно было крайне ограниченно. Причинами такого положения дел являлись: «резаная» синусоида на выходе, малый диапазон регулирования частоты и то, что частота выходного напряжения не могла быть выше или равна частоте питающей сети.

В настоящее время благодаря использованию последнего поколения биполярного транзистора с изолированным затвором (IGBT) НПЧ обрели новую жизнь. Предложенная компанией YASKAWA схема Matrix разрешает практически все стоящие до этого проблемы. Свое название Matrix берет из схемы силовой цепи, которая напоминает матричную систему. Каждый из переключателей на изображенной схеме состоит из двух IGBT, таким образом, в силовой схеме преобразователя используется 18 IGBT. Силовые ключи подключены так, что энергия может как подводиться к двигателю, так и отводиться обратно в сеть при торможении и рекуперации (на рис. 1 красным показано положительное направление тока, синим – отрицательное).


Преимущества МПЧ и сферы их применения

Перечислим основные достоинства матричных преобразователей частоты и те преимущества, которые они дают.
- Возможность рекуперации энергии без помощи дополнительных устройств.
- МПЧ могут работать с большими напряжениями/токами, что наиболее важно в мощных приводах на среднее напряжение.
- Более высокие динамические характеристики, включая реакцию на скачок напряжения и ударную нагрузку.
- Высокие значения КПД (98 %) и коэффициента мощности (0,95). Коэффициент мощности при этом не зависит от скорости двигателя (рис. 2). Это означает, что даже без использования режима рекуперации матричные преобразователи частоты обеспечивают большую экономию, чем обычные.
- Значительное снижение входных гармонических искажений. При использовании обычного преобразователя частоты возникают два типичных пика тока в фазе на выпрямителе от шины постоянного тока. Эти пики приводят к гармоническим искажениям входного тока, достигающим порядка 80 %. Ток матричного преобразователя почти синусоидальный и во время работы (под нагрузкой) почти совпадает с фазой напряжения. Во время регенерации ток сдвинут на 180°, но имеет синусоидальную форму. Это приводит к гармоническим искажениям только на 8 %.
- Так как в обычном преобразователе частоты инвертор пре­образует постоянное напряжение в переменное, то оно формируется шириной импульсов с последующей аппроксимацией, что пагубно влияет как на приводной двигатель, так и на окружающих потребителей электроэнергии и тем самым ухудшает сигнал передачи. В матричном преобразователе формируется непосредственно синусоида, вследствие чего улучшается чистота выходного сигнала, а это повышает срок службы двигателя и позволяет увеличить расстояние между ним и преобразователем частоты без использования дополнительных выходных фильтров.

Ris.2.png

Рис. 2. Зависимость КПД и коэффициента мощности от скорости

Благодаря свойствам матричных преобразователей частоты их с успехом можно применять в следующих устройствах и системах:
- подъемных механизмах и механизмах с возвратно-поступательным движением (лифты, краны, прессы, системы типа «летучий нож»);
- установках, требующих быстрой реакции на изменение задания или возмущение (вентиляторы печей и дымососы, дозаторы, испытательные стенды);
- центрифугах и дробилках с длительными режимами разгона и торможения и большими моментами инерции;
- системах с высокими требованиями к помехам (лаборатории, исследовательские и медицинские учреждения).

Ris.3.png

Рис. 3. Спектр гармоник для обычного ПЧ (слева) и для матричного ПЧ (справа)


Ris.4.png

Рис. 4. Графики выходного напряжения (верхний) и тока (нижний) матричного ПЧ

Соответственно наиболее широкое применение данные преобразователи частоты могут найти в таких отраслях, как металлургия, металлообработка, машиностроение, добыча и переработка полезных ископаемых (в шахтных подъемниках, например).


Матричные преобразователи частоты AC Matrix и FSDrive-MX1S

В настоящее время линейка матричных преобразователей частоты компании YASKAWA представлена двумя моделями: низковольтной и среднего напряжения.
AC Matrix (рис. 5) – это низковольтный преобразователь частоты, созданный в 2003 году. Данная модель является первым коммерческим матричным преобразователем частоты на базе нового поколения IGBT. АC Matrix выпускается в диапазоне мощностей от 5,5 до 160 кВт. Основные возможности:
- управление производится в вольт-частотном режиме или векторном режиме как с обратной связью, так и без нее;
- оперативная автонастройка;
- встроенный ПИД-регулятор;
- встроенный порт RS‑485/422 с протоколом ModBus;
- пульт с 6-строчным ЖК-дис­плеем (выносной);
- ПО DriveWizardPlus для конфигурирования и тонкой настройки ПЧ;
- поддержка промышленных сетей Profibus, DeviceNet, Mechatrolink и др.

Ris.5.png


Рис. 5. Преобразователь частоты AC Matrix

FSDrive-MX1S (рис. 6) – преобразователи частоты среднего напряжения, выпускаются в диапазоне мощностей на 3 кВ – от 200 до 2500 кВт и на 6 кВ – от 250 до 5000 кВт. Основные возможности:
- управление производится в вольт-частотном режиме или векторном режиме как с обратной связью, так и без нее;
- оперативная автонастройка;
- встроенный ПИД-регулятор;
- встроенные часы реального времени;
- пульт с 6‑строчным ЖК-дис­плеем;
- встраиваемая плата ПЛК;
- встраиваемые платы связи RS‑485 (Modbus), Profibus и Ethernet;
- ПО для конфигурирования и настройки, мониторинга и анализа работы ПЧ.

Ris.6.png

Рис. 6. Преобразователь частоты FSDrive-MX1S

Революционные технологии, используемые в FSDrive-MX1S, позволяют отказаться от использования таких вспомогательных устройств, как компенсаторы мощности, входные фильтры, тормозные блоки и входные трансформаторы.


Статья опубликована в журнале «ИСУП», № 1(43)_2013

Л.А. Кондаков, А.А. Щукин, специалисты,
ООО «КоСПА», официальный партнер
компании YASKAWA Dives & Motion в России, г. Москва,
тел.: (495) 660-2822,