Матричный преобразователь: мечта или реальность?
Приводы переменного тока получили широкое распространение в 90-х годах, и с тех пор их принцип работы практически не изменился. Входное переменное напряжение с помощью выпрямителя (диодного моста) преобразуется в напряжение постоянного тока, питающее выходной мост, который в свою очередь 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.
Схема стала такой привычной, что легко позабыть о ряде ее недостатков. Например, системы выпрямления тока нередко передают высокий уровень гармоник обратно в источник питания, а также имеют низкий коэффициент мощности.
Кроме того, так называемая связь постоянного тока между выпрямителем и выходным мостом требует применения громоздких электролитических конденсаторов. Они не только занимают много места, но являются деталями, существенно сокращающими срок службы привода, поскольку со временем теряют емкость, особенно при эксплуатации под воздействием высокой температуры.
И, наконец, в обычной конструкции связь между подаваемым питанием и двигателем является односторонней.
Таким образом, у энергии есть лишь один путь для возврата в источник питания — через специальный модуль рекуперации, а это очень дорогостоящее решение. Короче говоря, во время торможения энергия не просто расходуется впустую — следует также решить проблему рассеивания энергии, что достигается за счет громоздкого экзотермического тормозного резистора.
Технология матричного преобразования позволяет устранить все эти и многие другие недостатки. В принципе, эта новая технология очень проста. Три фазы питания привода соединены прямо с двигателем посредством матрицы из двунаправленных полупроводниковых переключателей. При упорядоченной работе этих переключателей напряжение и частота выходной мощности двигателя могут регулироваться с высокой точностью.
Обратите внимание на то, что значительные изменения претерпела лишь конструкция силовых компонентов привода. Механизм контура управления остался практически без изменений, что позволяет использовать современный векторный алгоритм управления.
Отличительной чертой нового решения, использованного в матричном преобразователе, является отсутствие системы выпрямления и связи постоянного тока. При отсутствии выпрямителя привод с матричным преобразователем генерирует весьма низкий уровень гармоник, что обычно составляет менее 8% от уровня гармоник, создаваемого стандартным приводом с аналогичным диапазоном мощности. Удачный алгоритм коммутации также позволяет приводу иметь коэффициент мощности близкий к единице, независимо от нагрузки двигателя.
При отсутствии связи постоянного тока приводы с матричным преобразователем не нуждаются в громоздких электролитических конденсаторах, что повышает их надежность и срок службы, особенно при эксплуатации в экстремальных температурных условиях.
Также следует отметить, что схема матричного преобразования в силу своего принципа работы обеспечивает возврат энергии из двигателя в источник питания, поскольку двунаправленные переключатели (на то они и двунаправленные!) позволяют потоку энергии двигаться в любом направлении.
Это означает, что высокая эффективность работы достигается на всех четырех квадрантах, что позволяет существенно снизить общее потребление энергии, особенно при использовании в лифтах и подъемниках, где большая часть работы привода приходится на торможение. Кроме того, отпадает необходимость в громоздких тормозных резисторах, что позволяет сэкономить место и сократить нежелательное тепловыделение.
Описанные преимущества весьма убедительны, но все же остается последний важнейший фактор — каковы рабочие характеристики приводов с матричным преобразованием по сравнению с характеристиками обычных приводов? Испытания, проведенные компанией Omron Yaskawa, показывают несомненное преимущество новой продукции, которая скоро будет запущена в производство.
В частности, характеристики устойчивого состояния, например регулировка скорости или перегрузочная способность по крутящему моменту, не отличаются от аналогичных характеристик стандартных приводов, в то время как динамические характеристики, включая реакцию на скачок и реакцию на ударную нагрузку, существенно улучшены. Кроме того, уникальная че-тырехквадрантная производительность новых приводов означает, что превосходные динамические характеристики демонстрируются при более широком диапазоне рабочих нагрузок. Возникает вопрос: если принцип работы приводов с матричным преобразователем так прост, почему они только сейчас начинают появляться на рынке? Существуют две причины. Первая состоит в том, что хотя сама идея такого привода чрезвычайно проста, ее осуществление связно с рядом трудностей. Разработка подходящих алгоритмов для управления полупроводниковыми переключателями является непростой задачей, на решение которой потребовались годы опытно-конструкторских разработок, пока не был достигнут оптимальный результат.
Вторым фактором, тормозившим появление таких приводов, является необходимость большого количества скоростных и мощных полупроводниковых переключателей. В продукции Omron Yaskawa, например, применяются девять двунаправленных переключателей, каждый из которых состоит из двух антипараллельных IGBT (БТИЗ — биполярных транзисторов с изолированным затвором) и совмещенных диодов. Это весьма дорогостоящие компоненты, и, хотя цены на мощные полупроводники продолжают снижаться, приводы с матричным преобразованием в настоящее время стоят несколько дороже, чем их стандартные аналоги с тем же диапазоном мощности.
Несомненно, высокая стоимость этой продукции будет какое-то время препятствовать ее широкому применению, но все же во многих областях такие приводы уже пользуются высоким спросом. Это уже упомянутые области применения, где регенеративные возможности таких приводов обеспечивают такую экономию энергии, которая с лихвой покрывает высокие начальные затраты, т.е. стоимость привода. Также новые приводы незаменимы в ситуациях, когда гармоническое искажение в сети питания должно быть минимальным. В качестве примера можно привести системы воздушного охлаждения для модулей обработки данных, или применение в медицинских учреждениях, где чувствительное электронное оборудование подключено к одной и той же сети питания.
Принимая во внимание превосходные рабочие характеристики приводов с матричным преобразователем, демонстрируемые практически в любой сфере применения, можно с уверенностью сказать, что при повышении объемов производства и снижении цены на новую продукцию, стандартные приводы вскоре выйдут из употребления. Вам не придется долго ждать возможности оценить преимущества этой революционной технологии. Компания OMRON Yaskawa уже запустила приводы с матричным преобразователем в массовое производство по всему миру с апреля 2006 года и для начала поставляет трехфазные модели для 400 В с диапазоном мощности от 5,5 до 22 кВт. Также планируется расширить диапазон мощности до 75 кВт и выпустить модели для 200 В мощностью от 5,5 до 45 кВт.