Почему поет и греется частотник ?

Все началось с того, когда заказчик пожаловался на странный, меняющийся  свист двигателя, который наблюдался при работе ПЧ Delta Electronics C2000. 

Выглядело это примерно так:

Объяснив заказчику, что на выходе ПЧ на самом деле не синусоида 15Гц, а широтно-модулированные импульсы или  ШИМ, с опорной частотой, лежащей в области звукового спектра, можно было бы и остановиться:

Рис. 1. В википедии это выглядит так. Напряжение V на двигателе и магнитная индукция В статора.

Действительно, базовую частоту ШИМ (синих коротких импульсов на рис. 1) можно установить  в ПЧ VFD-C2000 параметром 00-17 в диапазоне от 2 кГц до 15 кГц и все это звуковые диапазоны.

Постоянный ток в магнитном поле порождает постоянную силу Ампера, переменный - переменную, а ток звуковой частоты - силу изменяющуюся с частотой в области слышимого спектра.

В преобразователе достаточно моточных изделий с токами звуковых частот, кроме того, таким моточным изделием является сам двигатель. Как бы ни хорошо были прикреплены обмотки, данное крепление обладает конечной жесткостью, поэтому упомянутая выше сила Ампера вызовет их перемещение со звуковой частотой, и, следовательно звуковую волну. 

Звуковую волну вызовет и изменение геометрических размеров ферромагнитных сердечников, статора двигателя в частности,  в результате магнитострикционного эффекта, причем скорее всего бОльшей интенсивности ввиду большей площади поверхности излучения.

Таким образом полностью избавиться от звука не получится,хотя нужно отдать должное некоторым зарубежным производителям двигателей для частотного регулирования, которые почти не шумят. С другой стороны характер звука будет определяться выбором несущей частоты ШИМ,тут следует учитывать, что далеко не каждый слышит звуки выше 15 кГц, более того с возрастом звуки выше 10-12 кГц вообще перестают быть слышны. Поэтому, чем выше выбираем частоту ШИМ, тем меньше неприятных звуковых ощущений. Некоторые производители прибегают к различным ухищрениям, снижая субъективные ощущения от свиста частотника, подмешивая в несущую ШИМ случайную составляющую, но сути это не меняет, звук работы при 2-х кГц и при 10 кГц - это две большие разницы.

Но возвращаясь к случаю с нашим Заказчиком, выяснилось,  какую частоту ШИМ не выбирай, все равно двигатель начинает свистеть по особенному при задании частот вращения ниже 15-20 Гц. Более того, этот эффект мы увидели и в других сериях преобразователей частоты Delta Electronics :

Проведенные эксперименты показали, что преобразователь частоты принудительно сбрасывает опорную частоту ШИМ до минимальной, при переходе порога в ~ 15 Гц, независимо от установок параметра 00-17,  причем делает это с гистерезисом.

Но зачем?

Придется погружаться глубже. Постараемся это сделать не злоупотребляя формулами.

Основная схемотехника практически всех ПЧ низкого напряжения, независимо от бренда абсолютно одинакова:

Рис 2. Блок схема ПЧ низкого напряжения

На  входе ПЧ  находится диодный выпрямитель, затем следует фильтр, сглаживающий пульсации (L есть не во всех частотниках), и  собственно, инвертор, собранный по мостовой схеме на IGBT транзисторах.  При этом напряжение на конденсаторе фильтра в режиме холостого хода равно амплитудному значению напряжения сети:

Vdd =(380±10%) * 1.414 = 537±10% В 

Транзисторы моста работают в ключевом режиме, что означает, что преобразователь умеет выдавать на выход либо +Vdd, либо -Vdd, в зависимости от того, какой транзистор моста открыт. Ситуация, при которой оба транзистора открыты не допускается, так как приводит к короткому замыканию, за этим следит драйвер, либо схема управления, формирующая ШИМ.

Ключевой режим работы транзисторов обладает  высоким КПД, поскольку мощность, рассеиваемая на транзисторе в открытом и закрытом состоянии стремится к нулю, если параметры транзисторов стремятся к идеальным, поскольку в любой момент времени либо напряжение на ключе, либо ток через него стремятся к нулю:

Рис 3.  Токи, напряжения и потери при идеальных ключах

Но дело в том, что идеальных IGBT транзисторов еще не придумали, и на самом деле осциллограммы  тока и напряжения на IGBT содержат существенные участки с ненулевыми и токами и напряжениями и  выглядят так:

Рис 4. Осциллограммы токов и напряжений реальных ключей

Во-первых,в открытом состоянии на IGBT остается небольшое остаточное напряжение, которого однако достаточно, чтобы на транзисторе рассеивалась заметная мощность равная U*I, так как через транзистор течет полный ток ПЧ.

Во-вторых транзистор не умеет мгновенно открываться и закрываться, поэтому существуют моменты времени во время переключения , когда и ток и напряжение значительны, даже превышают 50% максимальных, что приводит к значительным цифрам, киловаттам мгновенной рассеиваемой мощности даже на небольших ПЧ. Графики мгновенной рассеиваемой мощности p(t) и энергии потерь E приведены ниже.

Рис 5. Токи, напряжения, мощность и энергия потерь на включение, проводимость и выключение ключа

Очевидно, что общие усредненные потери в транзисторе IGBT равны потерям на включение плюс потери, связанные с конечной проводимостью открытого ключа IGBT, плюс потери на выключение:

P = Pon+Pcond+Poff

где:

Pon, Poff - потери мощности на включение и выключение

       Pcond - потери мощности, связанные с конечной проводимостью открытого перехода IGBT.
 

Площадь под кривой P(t) равняется энергии потерь E, выделяющейся в виде тепла и наглядно показывает, что насколько существенный вклад вносят переключения. Энергия потерь, выделяющаяся за время коммутации на порядки превосходит энергию потерь, выделяющуюся за аналогичное время из-за конечной проводимости.
 

Рассмотрение потерь в ПЧ было бы не полным без разрешения одного кажущегося парадокса. Каким образом при закрытом транзисторе моста и оборванной цепи ток двигателя не прерывается ? Почему индукция и ток фазы ( см. рис 1) носит непрерывный характер, а ток в IGBT - обязан быть прерывистым, коль мы его все время открываем и закрываем с помощью ШИМ? Это же вроде последовательная  цепь (рис 3) ?

Парадокс легко разрешается, если вспомнить, что индуктивность и называется индуктивностью за способность индуцировать напряжение.

Рис 6. Цепь тока фазы  при открытых ключах моста
 

Представим для простоты, что в какой-то момент времени были включены только два ключа, VT1 и VT4.  Источником напряжения, поддерживающим ток в цепи, по сути дела будет разряжающийся силовой конденсатор фильтра, который все время подзаряжается импульсами от выпрямителя сети. 

Пусть контроллер управления, в соответствии с законом широтно импульсной модуляции дал сигнал на отключение VT1 и VT4 и они начали закрываться.

Рис 7. Цепь тока фазы при закрытых ключах моста

Ток через двигатель, естественно, начинает падать, но тут в игру вступает индуктивность двигателя, которая изо всех своих сил, ограниченных только ранее запасенной энергией поля, стремится предотвратить это падение и индуцирует противо эдс E, которое тут-же превышает значение звена постоянного тока Vdd, что приводит к открытию демпфирующих диодов, через которые начинает заряжаться конденсатор - цепь замыкается,ток через обмотку двигателя продолжает течь и течь в том-же направлении.

Таким образом демпфирующие диоды, несмотря на название, в этом приложении - такой же важный токоведущий элемент, как и IGBT и диоды входного моста - через них проходит основная “сила”. Поэтому и потери на них существенны.

Так же, как и на IGBT, на диодах остается остаточное напряжение открытого перехода, которое приводит к кондуктивным потерям. Но с кондуктивными потерями можно бороться, для этого , например Дельта, открывает в моменты проводимости диода и шунтируемый им транзистор, который берет на себя свою долю тока.

Но диод, так-же как и IGBT, не может мгновенно перестать проводить при реверсе полярности. Это связано с тем, что диод содержит накопленный заряд, который вначале должен рассосаться. Этот разряд длится какое-то конечное время, во время которого ток через диод течет в обратном направлении, при уже значительном приложенном обратном напряжении, т.е. направления совпадают, что приводит к рассеиванию мощности (U*I) и потерям, которые называются потерями на восстановление диода.

Потери на восстановление диода могут достигать половины потерь на переключение IGBТ, в то-же время потери на проводимость - 15% от потерь на проводимость IGBT,что усугубляет вклад потерь на переключения в общие потери IGBT или в температуру радиатора частотника.

Таким образом, чем меньше переключений в единицу времени, чем меньше частота коммутации, тем меньше  выделяется тепла, и наоборот. Это прекрасно знают оверклокеры, поскольку на выходе КМОП элемента, составляющего основу подавляющего большинства цифровых микросхем и процессоров, находится принципиально такой-же точно транзисторный полумост, как и на выходе частотника.

Итак, скорее всего, Дельта  принудительно сбрасывает частоту коммутации или частоту ШИМ для уменьшения тепловыделения.  Но почему вопрос потерь резко встает  на скоростях (и мощностях) меньше 1/3 от номинала?

Ответ приходит, если вспомнить, что при понижении частоты вращения двигателя ПЧ обязан уменьшать выходное напряжение, не важно, в каком режиме он работает, U/f, (U/f)^2, с компенсацией скольжения или векторном. Сделать он это обязан  ну хотя бы для того, чтобы не сжечь обмотку, индуктивное сопротивление которой падает пропорционально частоте. А для сохранения момента (и тока) он должен это делать пропорционально f, 

Поэтому на частоте 15Гц на выходе ПЧ должно быть действующее значение 380В*15/50 = 114 В. При более “мягкой”, квадратичной  характеристике для насосов и вентиляторов, напряжение  должно быть еще меньше - 34 В.

Но ПЧ может выдавать либо 537 В либо ничего, поэтому 30 В он будет формировать очень короткими импульсами, открывая и тут-же закрывая транзистор. Из-за необходимости обеспечивать безопасный интервал предотвращения короткого замыкания, когда оба транзистора закрыты, эти импульсы становятся еще короче в относительном выражении. Если управление осуществляется по характеристике U/f и постоянном моменте, то коммутировать транзистору придется практически все тот-же полный номинальный ток, несмотря на пониженное напряжение. Поэтому априори можно предположить, что при низких выходных частотах ПЧ резко возрастают потери на коммутацию.

Но окончательно все становится ясно, после анализа реальных осциллограмм на выходе ПЧ и моделирования происходящего в Matlab и Simulink, благо все готовые блоки в Matlab есть.

Рис 8. Модель потерь в ПЧ (скалярное управление)

В результате рассмотрения  реальных осциллограмм  на выходе ПЧ С2000 выясняется еще одна, далеко не очевидная деталь.

Рис 9. Осциллограмма линейного напряжения на выходе ПЧ при 50 Гц.

Дело в том, что этот ПЧ, как и ПЧ VFD-E/EL, по умолчанию работает с перемодуляцией  ШИМ - т.е. опорным напряжением ШИМ является не просто синусоида, а синусоида, пропущенная через симметричный ограничитель (рис 10). В результате, в течение примерно ⅓ периода коммутации вообще не происходит.

Рис 10. Форма опорного напряжения для формирования ШИМ на 50 Гц.

Режим перемодуляции, когда ШИМ генератор переходит в насыщение, обладает двумя преимуществами и одним недостатком. В этом режиме существенно уменьшается количество переключений ключей в единицу времени, и, следовательно, тепловыделение. Кроме того, в этом режиме ПЧ легче противостоять просадкам напряжения по входу, так как действующее значение напряжения, генерируемого ШИМ с перемодуляцией заметно повышается. За это приходится расплачиваться повышенным коэффициентом гармоник на выходе ПЧ. Кстати самые последние,“европейские” серии Deta Electronics MS/MH режима перемодуляции не имеют, так как во главу угла поставлено строгое соответствие всем европейским стандартам, в том числе и по электромагнитной совместимости.

Графики фазных и линейных напряжений, токов IGBT и двигателя, полученных в результате моделирования для 50 Гц и 20 Гц, приведены ниже.

Рис 10. Фазное и линейное напряжение на выходе ПЧ, ток через IGBT и обмотку двигателя при 50 Гц.

Рис 11. Фазное и линейное напряжение на выходе ПЧ, ток через IGBT и обмотку двигателя при 20 Гц.

Невооруженным взглядом видно, как возрастает интенсивность коммутации во втором случае, причем номинал коммутируемого тока практически прежний.

Результаты моделирования теплового режима ПЧ полностью подтверждают предположения.

Если задаться начальной температурой внутри ПЧ 40С и включить его на 50 Гц, то температура корпусов IGBT будет расти как на рис 12.

Рис 12. Температура корпуса IGBT при 50 Гц, fшим = 10 кГц

Видно, что при заданніх параметрах радиатора, тепловой баланс устанавливается примерно при  67С.

Если же стартовать на 20 Гц, картина резко меняется:

Рис 13. Температура корпуса IGBT при 20 Гц, fшим = 10 кГц

В этом случае IGBT быстро разогревается практически до максимально допустимых температур.

Если-же сбросить частоту ШИМ до 2 кГц, ситуация сразу нормализуется - тепловой баланс наступает примерно при совершенно безопасных 53 С.

Рис 14. Температура корпуса IGBT при 20 Гц, fшим = 2 кГц

Следует оговориться, что абсолютные значения температур зависят от заданных в модель тепловых параметров системы охлаждения,которые могут не совпадать с реальными, поэтому нужно обращать внимание не на количественную картину, а на качественную.

Таким образом можно считать доказанным, что ПЧ дельта принудительно сбрасывает опорную частоту ШИМ для малых скоростей вращения, чтобы уменьшить тепловыделение и температуру внутри ПЧ.

Но почему так важна температура внутри ПЧ? Ведь в последнее время верхняя граница рабочего диапазона температур многих радиокомпонентов существенно выросла?

Потому что  температура, в любом случае, это срок службы ПЧ. Дело в том, что при снижении температуры на каждые 15С, удваиваются показатели наработки на отказ (MTBF) силовых конденсаторов, а на каждые 10С - удваивается MTBF трансформаторов.

Поэтому Дельта и размещает силовые конденсаторы в специальном отсеке, термически изолированном от источников тепла, снабженным индивидуальными вентилятором.

Рис 15. Отсек силовых конденсаторов с индивидуальным вентилятором ПЧ Дельта (правый верхний угол корпуса)

Мы рассмотрели режим работы ПЧ VFD-C2000 с установками частоты ШИМ по умолчанию.  Дельта справедливо считает, что срок службы ПЧ важнее, чем звуковые эффекты.

Однако существуют и другие режимы управления несущей частотой ШИМ, которые определяются параметром 06-55. При желании можно вообще запретить частотнику менять частоту ШИМ, однако в этом случае возможно срабатывание других защит ПЧ. 

Даже если срабатывания защит не произойдет, работа в таком режиме существенно повлияет на послегарантийный срок службы преобразователя из-за перегрева..

Таким образом, выбирая “тихий” режим работы преобразователя частоты и увеличивая для этого частоту ШИМ, вы на самом деле всегда выбираете между комфортом и долговечностью.