Чому співає і гріється частотники ?

Все почалося з того, коли замовник поскаржився на дивний, мінливий свист двигуна, який спостерігався при роботі ПЧ Delta Electronics C2000.

Виглядало це приблизно так:

Пояснивши замовнику, що на виході ПЧ насправді не синусоїда 15Гц, а широтно-модульовані імпульси або ШІМ, з опорною частотою, що лежить в області звукового спектру, можна було б і зупинитися:

Рис. 1. У вікіпедії це виглядає так. Напруга V на двигуні і магнітна індукція У статора.

Дійсно, базову частоту ШІМ (синіх коротких імпульсів на рис. 1) можна встановити в ПЧ VFD-C2000 параметром 00-17 в діапазоні від 2 гц до 15 кГц і все це звукові діапазони.

Постійний струм в магнітному полі породжує постійну силу Ампера, змінний - змінну, а струм звукової частоти - силу змінюється з частотою в області чутного спектру.

У перетворювачі досить моткових виробів з струмами звукових частот, крім того, таким моточным виробом є сам двигун. Як би не були добре прикріплені обмотки, дане кріплення має кінцевою твердістю, тому згадана вище сила Ампера викличе їх переміщення зі звуковою частотою, і, отже звукову хвилю.

Звукову хвилю і викличе зміна геометричних розмірів феромагнітних осердь, статора двигуна зокрема, в результаті магнітострикційного ефекту, причому швидше за все більшої інтенсивності зважаючи більшої площі поверхні випромінювання.

Таким чином повністю позбутися від звуку не вийде,хоча потрібно віддати належне деяким закордонним виробникам двигунів для частотного регулювання, які майже не шумлять. З іншого боку, характер звуку буде визначатися вибором несучої частоти ШІМ,тут слід враховувати, що далеко не кожен чує звуки вище 15 кГц, більше того, з віком звуки вище 10-12 кГц взагалі перестають бути чутні. Тому, чим вище вибираємо частоту ШІМ, тим менше неприємних звукових відчуттів. Деякі виробники вдаються до різних хитрощів, знижуючи суб'єктивні відчуття від свисту частотника, підмішуючи в несучу ШІМ випадкову складову, але суті це не міняє, звук роботи при 2-х кГц і при 10 кГц - це дві великі різниці.

Але повертаючись до випадку з нашим Замовником, з'ясувалося, яку частоту ШІМ не вибирай, все одно двигун починає свистіти по-особливому при завданні частот обертання нижче 15-20 Гц. Більш того, цей ефект ми побачили і в інших серіях перетворювачів частоти Delta Electronics :

Проведені експерименти показали, що перетворювач частоти примусово скидає опорну частоту ШІМ до мінімальної, при переході порогу в ~ 15 Гц, незалежно від установок параметра 00-17, причому робить це з гістерезисом.

Але навіщо?

Доведеться занурюватися глибше. Постараємося це зробити не зловживаючи формулами.

Основна схемотехніка практично всіх ПЧ низької напруги, незалежно від бренду абсолютно однакова:

Рис 2. Блок схема низької напруги ПЧ

На вході ПЧ знаходиться діодний випрямляч, потім фільтр, що згладжує пульсації (L є не у всіх частотниках), і власне, інвертор, зібраний за мостовою схемою на IGBT транзисторах. При цьому напруга на конденсаторі фільтра в режимі холостого ходу дорівнює амплітудному значенню напруги мережі:

Vdd =(380±10%) * 1.414 = 537±10% В 

Транзистори мосту працюють у ключовому режимі, що означає, що перетворювач вміє видавати на вихід або +Vdd, або -Vdd, в залежності від того, який транзистор мосту відкрито. Ситуація, при якій обидва транзистора відкриті не допускається, так як призводить до короткого замикання, за цим стежить драйвер, або схема управління, що формує ШІМ.

Ключовий режим роботи транзисторів має високий ККД, оскільки потужність, що розсіюється на транзисторі у відкритому і закритому стані прагне до нуля, якщо параметри транзисторів прагнуть до ідеальних, оскільки в будь-який момент часу або напруга на ключі, або струм через нього прагнуть до нуля:

Рис 3. Струми, напруги і втрати при ідеальних ключах

Але справа в тому, що ідеальних IGBT транзисторів ще не придумали, і насправді осцилограми струму і напруги на IGBT містять значні ділянки з ненульовими і струмами і напругами і виглядають так:

Рис 4. Осцилограми струмів і напруг реальних ключів

По-перше,у відкритому стані на IGBT залишається невелика залишкова напруга, якого однак достатньо, щоб на транзисторі розвіювався помітна потужність рівна U*I, так як через транзистор тече повний струм ПЧ.

По-друге транзистор не вміє миттєво відкриватися і закриватися, тому існують моменти часу під час перемикання , коли струм і напруга значні, навіть перевищують 50% максимальних, що призводить до значних цифр, кіловата миттєвої потужності, що розсіюється навіть на невеликих ПЧ. Графіки миттєвої потужності, що розсіюється p(t) і втрат енергії E наведені нижче.

Рис 5. Струми, напруги, потужність та енергія втрат на включення, провідність і вимикання ключа

Очевидно, що загальні усереднені втрати в транзисторі IGBT дорівнюють втратам на включення плюс втрати, пов'язані з кінцевою провідністю відкритого ключа IGBT, плюс втрати на вимикання:

P = Pon+Pcond+Poff

де:

Pon, Poff - втрати потужності на включення і виключення

Pcond - втрати потужності, пов'язані з кінцевою провідністю відкритого переходу IGBT.
 

Площа під кривою P(t) дорівнює енергії втрат E, виділяється у вигляді тепла і наочно показує, що наскільки істотний внесок вносять перемикання. Енергія втрат, що виділяється за час комутації на порядки перевершує енергію втрат, що виділяється за аналогічний час з-за кінцевої провідності.
 

Розгляд втрат в ПЧ було б не повним без розгляду одного уявного парадоксу. Яким чином при закритому транзисторі мосту і обірваної ланцюга струм двигуна не переривається ? Чому індукція і струм фази ( див. рис 1) носить безперервний характер, а струм у IGBT - зобов'язаний бути переривчастим, коли ми його весь час відкриваємо і закриваємо за допомогою ШІМ? Це ж ніби послідовний ланцюг (рис 3) ?

Парадокс легко вирішується, якщо згадати, що індуктивність і називається індуктивністю за здатність індукувати напруга.

Рис 6. Ланцюг струму фази при відкритих ключах мосту
 

Для простоти уявімо, що в якийсь момент часу були включені тільки два ключа, VT1 і VT4. Джерелом напруги, що підтримує струм в ланцюзі, по суті справи буде разряжающийся силовий конденсатор фільтра, який весь час заряджається імпульсами від випрямляча мережі.

Нехай контролер управління, у відповідності з законом широтно-імпульсної модуляції дав сигнал на відключення VT1 і VT4 і вони почали закриватися.

Рис 7. Ланцюг струму фази при закритих ключах мосту

Струм через двигун, природно, починає падати, але тут у гру вступає індуктивність двигуна, яка з усіх сил, обмежених тільки раніше запасеної енергією поля, прагне запобігти це падіння і індукує проти ерс E, яке тут же перевищує значення ланки постійного струму Vdd, що призводить до відкриття демпфуючих діодів, через які починає заряджатися конденсатор - ланцюг замикається,струм через обмотку двигуна продовжує текти і текти в тому ж напрямку.

Таким чином демпфуючі діоди, незважаючи на назву, в цьому додатку - такий же важливий струмоведучий елемент, як і IGBT і діоди вхідного мосту через них проходить основна "сила". Тому і втрати на них істотні.

Так само, як і на IGBT, на діодах залишається залишкове напруга відкритого переходу, яке призводить до кондуктивним втрат. Але з кондуктивними втратами можна боротися, для цього , наприклад Дельта, відкриває в моменти провідності діода і шунтируемый їм транзистор, який бере на себе свою частку струму.

Але діод, так само як і IGBT, не може миттєво перестати проводити при реверсі полярності. Це пов'язано з тим, що містить діод накопичений заряд, який спочатку повинен розсмоктатися. Цей розряд триває якесь кінцеве час, під час якого струм через діод тече в зворотному напрямку, вже при значному доданому зворотному напрузі, тобто напрямки збігаються, що призводить до розсіювання потужності (U*I) і втрат, які називаються втратами на відновлення діода.

Втрати на відновлення діода можуть досягати половини втрат на перемикання IGBТ, в той-же час втрати на провідність - 15% від втрат на провідність IGBT,що посилює внесок втрат на перемикання в загальні втрати IGBT або температуру радіатора частотника.

Таким чином, чим менше перемикань в одиницю часу, чим менше частота комутації, тим менше виділяється тепла, і навпаки. Це прекрасно знають оверклокери, оскільки на виході КМОП елемент, що становить основу переважної більшості цифрових мікросхем і процесорів, знаходиться принципово такий же точно транзисторний напівміст, як і на виході частотника.

Отже, швидше за все, Дельта примусово скидає частоту комутації або частоту ШІМ для зменшення тепловиділення. Але чому питання втрат різко встає на швидкостях (потужності) менше 1/3 від номіналу?

Відповідь приходить, якщо згадати, що при зниженні частоти обертання двигуна ПЧ зобов'язаний зменшувати вихідну напругу, не важливо, в якому режимі він працює, U/f, (U/f)^2, з компенсацією ковзання або векторному. Зробити він це зобов'язаний ну хоча б для того, щоб не спалити обмотку, індуктивний опір якої падає пропорційно частоті. А для збереження моменту і струму) він повинен це робити пропорційно f,

Тому на частотою 15Гц на виході ПЧ має бути чинне значення 380В*15/50 = 114 Ст. При більш "м'яких", квадратичних характеристикою для насосів і вентиляторів, напруга має бути ще менше - 34 Ст.

Але ПЧ може видавати або 537 або нічого, тому 30 В він буде формувати дуже короткими імпульсами, відкриваючи і тут-же закриваючи транзистор. Через необхідність забезпечувати безпечний інтервал запобігання короткого замикання, коли обидва транзистора закриті, ці імпульси стають ще коротше у відносному вираженні. Якщо управління здійснюється за характеристикою U/f і постійному моменті, то комутувати транзистору доведеться практично все той-же повний номінальний струм, незважаючи на знижена напруга. Тому апріорі можна припустити, що при низьких вихідних частотах ПЧ різко зростають втрати на комутацію.

Але остаточно все стає ясно, після аналізу реальних осцилограм на виході ПЧ і моделювання відбувається в Matlab і Simulink, благо всі готові блоки в Matlab є.

Рис 8. Модель втрат у ПЧ (скалярний управління)

В результаті розгляду реальних осцилограм на виході ПЧ С2000 з'ясовується ще одна, далеко не очевидна деталь.

Рис 9. Осцилограма лінійного напруги на виході ПЧ при 50 Гц.

Справа в тому, що цей ПЧ, як і ПЧ VFD-E/EL, за замовчуванням працює з перемодуляцией ШІМ - тобто опорним напругою ШІМ є не просто синусоїда, а синусоїда, пропущена через симетричний обмежувач (рис 10). В результаті, протягом приблизно ⅓ періоду комутації взагалі не відбувається.

Рис 10. Форма опорного напруги для формування ШІМ на 50 Гц.

Режим перемодуляціі, коли ШІМ генератор переходить в насичення, володіє двома перевагами і одним недоліком. У цьому режимі істотно зменшується кількість перемикань ключів в одиницю часу, і, отже, тепловиділення. Крім того, в цьому режимі ПЧ легше протистояти осідань напруги по входу, так як діюче значення напруги, що генерується ШІМ з перемодуляцией помітно підвищується. За це доводиться розплачуватися підвищеним коефіцієнтом гармонік на виході ПЧ. До речі самі останні,"європейські" серії Deta Electronics MS/MH режиму перемодуляціі не мають, так як на чільне місце поставлено суворе відповідність усім європейським стандартам, в тому числі і з електромагнітної сумісності.

Графіки фазних і лінійних напруг, струмів IGBT і двигуна, отриманих в результаті моделювання для 50 Гц і 20 Гц, наведені нижче.

Рис 10. Фазна і лінійна напруга на виході ПЧ, струм через IGBT і обмотку двигуна при 50 Гц.

Рис 11. Фазна і лінійна напруга на виході ПЧ, струм через IGBT і обмотку двигуна при 20 Гц.

Неозброєним оком видно, як зростає інтенсивність комутації у другому випадку, причому номінал комутованого струму практично колишній.

Результати моделювання теплового режиму ПЧ повністю підтверджують припущення.

Якщо задатися початковою температурою всередині ПЧ 40С і включити його на 50 Гц, то температура корпусів IGBT буде рости як на рис 12.

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

Видно, що при заданніх параметрах радіатора, тепловий баланс встановлюється приблизно при 67С.

Якщо ж стартувати на 20 Гц, картина різко змінюється:

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

У цьому випадку IGBT швидко розігрівається практично до максимально допустимих температур.

Якщо ж скинути частоту ШІМ до 2 кГц, ситуація нормалізується відразу - тепловий баланс наступає приблизно при абсолютно безпечних 53 С.

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

Слід зауважити, що абсолютні значення температур залежать від заданих в модель теплових параметрів системи охолодження,які можуть не збігатися з реальними, тому потрібно звертати увагу не на кількісну картину, а на якісну.

Таким чином, можна вважати доведеним, що ПЧ дельта примусово скидає опорну частоту ШІМ для малих швидкостей обертання, щоб зменшити тепловиділення і температуру всередині ПЧ.

Але чому так важлива температура всередині ПЧ? Адже останнім часом верхня межа робочого діапазону температур багатьох радіокомпонентів істотно зросла?

Тому що температура в будь-якому випадку, це термін служби ПЧ. Справа в тому, що при зниженні температури на кожні 15С, подвоюються показники напрацювання на відмову (MTBF) силових конденсаторів, а на кожні 10С - подвоюється MTBF трансформаторів.

Тому Дельта і розміщує силові конденсатори в спеціальному відсіку, термічно ізольованому від джерел тепла, забезпеченим індивідуальними вентилятором.

Рис 15. Відсік силових конденсаторів з індивідуальним вентилятором ПЧ Дельта (правий верхній кут корпусу)

Ми розглянули режим роботи ПЧ VFD-C2000 з установками частоти ШІМ за замовчуванням. Дельта справедливо вважає, що строк служби ПЧ важливіше, ніж звукові ефекти.

Проте існують й інші режими керування частотою ШІМ, які визначаються параметром 06-55. При бажанні можна взагалі заборонити частотнику змінювати частоту ШІМ, проте в цьому випадку можливе спрацьовування інших захистів ПЧ.

Навіть якщо спрацьовування захистів не станеться, робота в такому режимі суттєво вплине на післягарантійний термін служби перетворювача з-за перегріву..

Таким чином, вибираючи "тихий" режим роботи перетворювача частоти і збільшуючи для цього частоту ШІМ, ви насправді завжди вибирати між комфортом і довговічністю.