Print

Základy technologie maticových frekvenčních měničů

-- 23.05.17

Aplikacím využívajícím frekvenční měniče přinášejí nákladovou, prostorovou a energetickou efektivitu.

Frekvenční měniče (Variable Frequency Drives – VFD), rovněž označované jako pohony s proměnlivou rychlostí (Variable Speed Drives – VSD) a někdy také jako invertory, zaznamenaly od svého uvedení na trh v 70. letech minulého století značná vylepšení. Po většinu této doby ovšem základní provedení zůstávalo stejné a vylepšení v oblasti výkonu, rozměrů a nákladů byla dána zejména zdokonalováním polovodičových komponent pohonů. 

Od samotného začátku se frekvenční měniče využívají pro řízení rychlosti elektromotorů, které spotřebovávají přibližně 25 % elektrické energie celosvětově spotřebované v průmyslových i komerčních aplikacích. Už z jejich definice vyplývá, že uživatelům umožňují provozovat motor jakoukoli zadanou rychlostí, než aby neustále běžely určitou fixní rychlostí. Toto řízení pomocí frekvenčního měniče zvyšuje energetickou účinnost a snižuje opotřebení mechanických spojovacích prvků, jako jsou převody, řemeny a kladky. 

Tradiční frekvenční měniče

Navzdory výhodám v podobě energetických úspor a delší životnosti zařízení mohou mít frekvenční měniče rovněž nežádoucí dopad na elektrická zařízení v jejich blízkosti. Už z povahy svého tradičního provedení jsou frekvenční měniče nelineárními elektrickými zátěžemi, což znamená, že jejich vstupní proud nenásleduje stejnou sinusoidní křivku jako napájecí napětí. 

Tradiční frekvenční měnič usměrňuje vstupní střídavé napětí, nabíjí kondenzátory a zřizuje stejnosměrné napětí sběrnice. Řízení pohonu pak generuje dvě interní vlny – nosnou a výstupní. Nosná vlna má trojúhelníkový průběh o kmitočtu mnohem vyšším, než se používá k pohonu motoru, obvykle okolo 8–15 kHz. Výstupní kmitočet je simulovanou sinusovou vlnou o kmitočtu potřebném pro požadovanou rychlost motoru. 

Frekvenční měnič dodává motoru napětí s výstupním kmitočtem díky použití pulzně-šířkové modulace (PWM). Protože zdrojem vstupního napětí je stejnosměrné napětí ze sběrnice, frekvenční měnič využívá své bipolární tranzistory s izolovaným hradlem (Insulated Gate Bipolar Transistors – IGBT) k vytvoření simulované sinusové vlny výstupního napětí tím, že zapne stejnosměrné napětí, když je úroveň nosné vlny nižší než úroveň výstupního kmitočtu, a tím, že je vypne, když je nosná vlna větší než úroveň výstupního kmitočtu. 

Induktance motoru filtruje vlnu PWM tak, aby působila na impulzy jako simulovaná sinusová vlna. Frekvenční měnič během provozu pozměňuje časování a šířku impulzu, aby poskytoval správnou frekvenci k pohánění motoru rychlostí potřebnou pro zátěž. 

S tím, jak motor spotřebovává energii, odebírá náboj ze stejnosměrné sběrnice, který je následně doplněn z usměrněného vstupního střídavého napětí. Přestože se úroveň napětí sběrnice se zátěží mění, stejnosměrná sběrnice odebírá svůj doplňovací proud pouze ve špičkách usměrněné sinusové vlny. Tyto proudové impulzy mohou po dobu, kdy udržují stejnosměrné sběrnice pod napětím a v provozním stavu, způsobovat určité problémy s harmonickými složkami proudu. 

Harmonické složky proudu se objevují na frekvencích v násobcích základní frekvence (60 Hz v USA). Na obrázku 1 je zobrazen součet základních (prvních) a pátých harmonických složek proudu. V praxi pak další harmonické složky zkreslují proudovou vlnu ještě více, i když v menší míře. Harmonické složky proudu (v tomto případě pátá harmonická × 60 Hz = 300 Hz) nelze použít pro skutečnou práci a přeměňují se na odpadní teplo nebo mechanickou energii. 

Harmonické složky mohou způsobovat přehřívání kabelů, rozpojení přerušovačů proudu a zatížení na předřazených transformátorech. Výrazné harmonické složky proudu mohou mít negativní dopad na schopnost zdrojů poskytovat čistý výkon, což následně vede ke zkreslení napětí, k narušení chodu zařízení a pokutám od energetických společností. 

Provedení a funkce maticových frekvenčních měničů

Relativně nové provedení frekvenčních měničů obchází stejnosměrnou sběrnici tím, že používá devět obousměrných tranzistorů IGBT v maticovém uspořádání ke generování střídavého výstupu o proměnlivém kmitočtu přímo ze střídavého vstupu. Protože chybí stejnosměrná sběrnice, kterou by bylo nutné nabíjet, lze eliminovat související nelineární odběr vstupního proudu. Na obrázku 2 je zobrazena maticová topologie. 

U pohonů využívajících maticové provedení lze kteroukoli vstupní fázi kdykoli připojit přímo k libovolné výstupní fázi. Klíčovým aspektem fungování matice pohonu je její schopnost spínat a vypínat oboustranné spínače ve správných okamžicích pro generování vhodného výstupního napětí a kmitočtu potřebného k provozu motoru. 

Řízení zabudované do maticového provedení frekvenčního měniče kontinuálně monitoruje napěťový rozdíl mezi napětími všech těchto tří vstupních fází. 

Napěťové rozdíly fází poskytují frekvenčním měničům v maticovém provedení kontinuální rozsah napětí, která jsou dostupná pro odeslání do motoru, společně se schopností kdykoli pomocí devíti tranzistorů IGBT přepínat kteroukoli vstupní fázi do libovolné výstupní fáze. Při použití PWM rovněž generují správné napětí na správné frekvenci k pohánění motoru, jak je potřeba pro zátěž. 

Rozsah dostupných napětí navíc umožňuje frekvenčním měničům v maticovém provedení budovat impulzy v krocích, aby se snížil dopad prudce narůstajících napěťových impulzů na ložiskové proudy motorů a odražené vlny v dlouhých přívodech k motoru. 

Kromě mimořádně nízké míry harmonických složek a téměř jednotkového účiníku poskytuje maticové provedení frekvenčního měniče také energetické úspory prostřednictvím regenerace. Když motor zátěž nepohání, ale je naopak poháněn zátěží, funguje jako generátor a vrací napětí zpět do frekvenčního měniče. Příkladem mohou být aplikace, jako jsou kozlíková čerpadla, kdy se pravidelně střídá pohánění zátěže motorem a regenerace, anebo skloněné dopravníky, které jsou v neustálém regenerativním stavu (viz obrázek 3). U tradičních pohonů lze použít dynamické brzdné odporníky k odklánění regenerativní energie mimo frekvenční měnič a k ochraně stejnosměrné sběrnice před přepětím. Pohony v maticovém provedení, využívající devět obousměrných tranzistorů IGBT, umožňují směřovat regenerační napětí zpět do zdroje a započítávat je oproti účtu za elektřinu uživatele. 

Hlavním přínosem frekvenčních měničů je jejich schopnost provozovat motor s pevnými otáčkami proměnlivými rychlostmi. Nicméně některé aplikace vyžadují během významného časového období plnou rychlost. V takových případech může maticové provedení zavřít příslušné tranzistory IGBT a poskytovat přímé spojení mezi vstupem a výstupem do motoru a tím maximalizovat účinnost. Na rozdíl od tradičních frekvenčních měničů nepotřebují k obejití pohonu používat stykače. 

Tento režim rovněž prodlužuje životnost frekvenčního měniče tím, že umožní všem tranzistorům IGBT „odpočinout si“ a přitom je udržuje v pohotovostním stavu. 

Frekvenční měniče pro monitorování

Některé frekvenční měniče v maticovém provedení mohou monitorovat elektrickou energii několika způsoby a poskytovat okamžitou zpětnou vazbu o úsporách energie. V případě zadání jednotkové účtované ceny za kWh může displej frekvenčního měniče zobrazovat na vyžádání následující informace:

  • výstupní výkon
  • spotřebu energie
  • regenerační energii
  • uspořenou energii
  • účet za energii 

Porovnání frekvenčních měničů v maticovém a tradičním provedení

Existují i další způsoby, jak zmírnit harmonické složky u frekvenčních měničů. Patří k nim například aktivní vstupní části a vícepulzní transformátory, které však vyžadují přidat k frekvenčnímu měniči značné množství dalších komponent, což se odráží ve větších rozměrech, v nákladech a množství kabelových připojení. Frekvenční měniče v maticovém provedení dosahují snížení míry harmonických složek přímo uvnitř měniče – tři vodiče vedou dovnitř, tři vodiče vedou ven. I když jsou maticové frekvenční měniče dražší než tradiční frekvenční měniče, ceny jsou obvykle srovnatelné nebo nižší než jiná řešení s nízkou mírou harmonických složek. 

Frekvenční měniče v maticovém provedení jsou dostupné v celé řadě napěťových a výkonových kategorií, obvykle do 100 k pro 240 V a 350 k a více pro 480 V. Volte modely se stejnými certifikáty Underwriters Laboratories (UL), Canadian Standards Association (CSA), CE či Restriction of Hazardous Substances Directive (RoHS) a s podporou pro indukční motory, motory s povrchově montovaným permanentním magnetem a motory s vnitřním permanentním magnetem. 

Maticové frekvenční měniče poskytují všechny vlastnosti a funkce, které uživatelé očekávají od tradičních řešení měničů, plus další výhody. Vzhledem ke zvýšeným požadavkům na udržitelnost a shodu s normou IEEE 519-2014 představují maticové frekvenční měniče cenově výhodné, prostorově úsporné a energeticky účinné řešení pro aplikace. 

Larry Gardner je produktový manažer společnosti Yaskawa America, Inc., pro pohony klimatizačních systémů. Upravila Emily Guentherová, zástupkyně obsahového ředitele, Control Engineering, CFE Media, eguenther@cfemedia.com.


Sponzorované odkazy

 
Aktuální vydání
Reklama

Navštivte rovněž

  •   Události  
  •   Katalog  

Události

Automatizace, modernizace a údržba v plastikářském průmyslu
2017-11-22 - 2017-11-22
Místo: Hotel Baltaci Atrium *****, Zlín
NI Days
2017-11-23 - 2017-11-23
Místo: Clarion, Praha
LOGISTIKA NÁKUPU A ŘÍZENÍ ZÁSOB
2017-11-23 - 2017-11-24
Místo: Křenová 409/52, 602 00 Brno
WEBINÁŘ: Simulace ve výrobě
2017-11-23 - 2017-11-23
Místo: webinář
1. ročník soutěžní přehlídky „SMART SPACE & LIVING“
2017-11-30 - 2017-11-30
Místo: soutěžní přehlídka

Katalog

Schneider Electric CZ, s. r. o.
Schneider Electric CZ, s. r. o.
U Trezorky 921/2
158 00 Praha 5
tel. 00420737266673

BALLUFF CZ s.r.o.
BALLUFF CZ s.r.o.
Pelušková 1400
19800 Praha
tel. 724697790

Mitsubishi Electric Europe B.V.
Mitsubishi Electric Europe B.V.
Pekařská 621/7
155 00 Praha 5
tel. +420 251 551 470

COGNEX
COGNEX
Emmy-Noether-Str. 11
76131 Karlsruhe
tel. 737 489 292

B+R automatizace, spol. s r.o.
B+R automatizace, spol. s r.o.
Stránského 39
616 00 Brno
tel. +420 541 4203 -11

všechny firmy
Reklama


Tematické newslettery




Anketa


Ano, proto se je snažíme minimalizovat
Ne, jsou na odpovídající úrovni
Nejsou vysoké, ale rychle rostou

O nás   |   Reklama   |   Mapa stránek   |   Kontakt   |   Užitečné odkazy   |   Bezplatné zasílání   |   RSS   |   
Copyright © 2007-2017 Trade Media International s. r. o.
Navštivte naše další stránky
Trade Media International s. r. o. Trade Media International s. r. o. - Remote Marketing Továrna - vše o průmyslu Control Engineering Česko Řízení a údržba průmyslového podniku Inteligentní budovy Almanach produkce – katalog firem a produktů pro průmysl Konference TMI