Введение

Преобразователь частоты регулирует скорость и момент электродвигателя за счет изменения частоты и амплитуды питающего напряжения. Его ключевой узел - инвертор, преобразующий постоянное напряжение звена постоянного тока в переменное напряжение требуемой частоты.

Наиболее распространены двухуровневые преобразователи.

Однако при увеличении мощности привода и требований к качеству выходного напряжения все чаще применяются трехуровневые схемы. Они позволяют получить напряжение, более близкое к синусоидальному, уменьшить нагрузку на изоляцию двигателя и использовать полупроводники меньшего класса напряжения. Особенно заметны преимущества в приводах средней и большой мощности.

Принцип работы трехуровневого преобразователя

В двухуровневом инверторе выход каждой фазы подключается к положительной или отрицательной шине звена постоянного тока. В трехуровневом инверторе добавляется промежуточный, или нулевой, уровень. Для распространенной схемы NPC (Neutral Point Clamped) фазный выход принимает три состояния:

·  положительный уровень: +UDC/2;

·  нулевой уровень: 0;

·  отрицательный уровень: −UDC/2.

Звено постоянного тока обычно разделено двумя последовательно соединенными конденсаторами, средняя точка которых используется как нейтральный потенциал. Дополнительные силовые ключи и фиксирующие диоды подключают фазу к одному из трех уровней. Ступенчатая форма напряжения становится ближе к синусоиде, поэтому при одинаковой частоте коммутации обычно снижаются гармонические искажения и скорость изменения напряжения.

Сравнение двух- и трехуровневой схем

Преимущества трехуровневой схемы

Улучшенная форма выходного напряжения

Три уровня точнее аппроксимируют синусоиду. Снижается содержание высокочастотных гармоник в напряжении и токе двигателя. Снижаются дополнительные потери, нагрев, пульсации момента и акустический шум. Эффект зависит от двигателя, ШИМ, частоты коммутации и нагрузки.

Снижение dU/dt

Переход через нулевой уровень уменьшает амплитуду одной ступени напряжения. Это снижает импульсное воздействие на изоляцию и особенно важно для старых двигателей и длинных кабелей.

Уменьшение пикового напряжения

Отраженные волны в системе «кабель — двигатель» могут повышать напряжение на клеммах двигателя. Меньший шаг напряжения ослабляет эффект, хотя при большой длине кабеля могут по-прежнему потребоваться моторный дроссель, фильтр dU/dt или синусный фильтр.

Оптимизация потерь

Дополнительные уровни дают выбор между частотой коммутации, качеством напряжения и потерями. При одинаковом качестве иногда можно снизить частоту коммутации, а при одинаковой частоте получить лучший выходной сигнал. Реальный КПД оценивается по конкретной модели и рабочей точке.

Снижение синфазного воздействия

Подходящий алгоритм модуляции уменьшает синфазное напряжение, паразитные токи через подшипники и электромагнитные помехи.

Недостатки трехуровневых преобразователей

Более сложная силовая часть

Требуется больше ключей, диодов, драйверов, датчиков и соединений. Повышаются требования к проектированию, качеству изготовления, диагностике и охлаждению.

Более высокая цена

Дополнительные компоненты увеличивают первоначальную стоимость. Для маломощных стандартных приводов решение может быть неоправданным; лучший эффект достигается при большой мощности, среднем напряжении и высокой стоимости отказа.

Особенности применения

Существующие двигатели

При модернизации более качественное напряжение может помочь сохранить установленный двигатель. До проекта проверяют изоляцию, охлаждение, диапазон скоростей, подшипниковые токи и механические резонансы.

Длинные моторные кабели

Преимущество меньшего шага напряжения возрастает с длиной кабеля. При расчете учитывают тип, емкость и волновое сопротивление кабеля, частоту коммутации, заземление, двигатель. Снижаются требования к кабелю в части качества изоляции, наличия экранирования.

Преимущества для заказчика

Применение в проекте преобразователя частоты, изготовленного по трехуровневой схеме имеет ряд неоспоримых преимуществ:

·  увеличение расчетного срока службы изоляции двигателя;

·  снижение нагрева, электромагнитного шума, вибрации и пульсаций момента;

·  сокращение эксплуатационных рисков и вероятности незапланированного простоя;

·  возможность модернизации с сохранением существующего двигателя и кабельной линии после проверки;

·  снижение требований к уровню выходных фильтров;

·  потенциальное снижение совокупной стоимости владения.

Экономика формируется из снижения энергопотребления, расходов на фильтры и кабельную систему, затрат на ремонт двигателя и потерь от остановок. Сравнение необходимо выполнять по полной стоимости владения, включая оборудование, проектирование, монтаж, фильтры, запасные части, обслуживание, электроэнергию и простои.

Ориентировочная экономическая оценка внедрения

Ниже приведен оценочный усредненный расчет экономической эффективности от внедрения трехуровневого преобразователя частоты.

Значения не являются универсальными и должны заменяться фактическими данными объекта.

PI = (NPV + I₀) / I₀ = (4,61 + 3,80) / 3,80 ≈ 2,21

На каждый рубль дополнительных капитальных затрат приходится около 2,21 руб. дисконтированных выгод. Чистая выгода сверх первоначальных вложений составляет около 4,61 млн руб.

Данный расчет показывает, что даже без учета вероятностного экономического эффекта, установка трехуровневого преобразователя частоты имеет экономические преимущества.

Заключение

Трехуровневый ПЧ целесообразно рассматривать при большой мощности, длинном моторном кабеле, высокой стоимости двигателя, сложной замене и критичности простоев. Двухуровневое решение чаще рационально для стандартных низковольтных приводов малой и средней мощности с коротким кабелем и ограниченным бюджетом.

Трехуровневый преобразователь частоты эффективен для мощных и ответственных электроприводов. Он формирует более качественное напряжение, снижает dU/dt и нагрузку на изоляцию, а также позволяет использовать ключи меньшего класса напряжения.

Трехуровневая схема не является универсальной заменой двухуровневой. Ее выбирают по техническому и экономическому расчету всей системы. Для заказчика ценность выражается в надежности, сроке службы двигателя, снижении рисков и безусловном уменьшении совокупной стоимости владения.