Przemienniki częstotliwości typu Matrix

Rys. 1

Wydawać by się mogło, że w dziedzinie przemienników częstotliwości zrobiono już niemal wszystko i obecne konstrukcje są już dopracowane. W chwili obecnej roczna produkcja przemienników wynosi około 20 milionów sztuk i ciągle wzrasta. Oznacza to, że na świecie mamy już kilkaset milionów tych urządzeń.

Wraz z rosnącą liczbą przemienników pojawiają się problemy zakłóceń w sieci, negatywne oddziaływanie na transformatory. Typowy przemiennik częstotliwości generuje zakłócenia THDi na poziomie powyżej 50%. Stosowanie filtrów, dławików redukuje tę wartość do kilkunastu procent. Najlepsze przemienniki z układami prostującymi 12-pulsowymi mają wartość THDi około 10-12%. Stosowanie układów AFE (Active Front End) jest dobrą metodą na redukcję zakłóceń lecz jest to sposób bardzo drogi oraz dodatkowo obniża niezawodność całego układu.

Drugi istotny problem we współczesnych układach napędowych to nacisk na efektywność energetyczną oraz odzyskiwanie energii przy hamowaniu. Najczęściej energię hamowania marnujemy przez wytracenie jej na rezystorach w postaci ciepła.

Firma Yaskawa od ponad 10 lat doskonali technikę przemienników częstotliwości, które nie mają powyższych wad - wprowadzają minimalne zniekształcenia THDi oraz mają odzysk energii do sieci. Mowa tu o przemiennikach macierzowych, zwanych typu "Matrix". Pierwsza generacja tych urządzeń powstała w 2004 pod nazwą Matrix Varispeed AC.

Obecnie oferowana druga już generacja to udoskonalony, jedyny na rynku w tej klasie urządzeń przemiennik U1000. Wprowadzony przez firmę zaledwie 2 lata temu już zyskał uznanie wśród klientów oraz zdobył szereg licznych nagród w Japonii, USA i Europie.

Czym zatem jest U1000 oraz typoszereg przemienników częstotliwości typu Matrix? Aby przybliżyć ich budowę oraz zalety, należy wstępnie przypomnieć budowę typowych przemienników.

W typowych przemiennikach (rys. 1) mamy 4 główne układy. Stopień końcowy wyposażony jest w 6 tranzystorów IGBT, które tworzą 3 pary kluczy. To one, przełączając się cyklicznie, rozładowują energię kondensatorów i tworzą sinusoidalne napięcie oraz prąd na wyjściu urządzenia.

Rys. 2

Przemienniki typu Matrix (rys. 2) nie mają układu prostowania. Nie ma w nich również kondensatorów. Widzimy natomiast większą liczbę tranzystorów IGBT - jest ich aż 18. Są również połączone w pary i zatem mamy 9 par kluczy po 3 na jedną fazę.

Sekwencja przełączania tranzystorów IGBT jest opisana w macierzy, która pokazuje zależności pomiędzy napięciami oraz zasadę kluczowania. Teraz już wiemy skąd nazwa Matrix dla tego przemiennika częstotliwości. Dodatkową cechą użytych tranzystorów IGBT (robionych wyłącznie dla firmy YASKAWA) jest możliwość pracy dwukierunkowej - mamy więc możliwość zwrotu energii do sieci.

To jednak nie koniec zalet przemiennika U1000. Należy zwrócić uwagę na brak kondensatorów w jego budowie. Jak wiemy, elementy te stanowią słabą stronę standardowych przemienników, gdyż ulegając starzeniu obniżają żywotność całego urządzenia. Dodatkowo kondensatory wprowadzają energię bierną o charakterze pojemnościowym, co może zwiększyć rachunki za energię elektryczną.

U1000 ma zatem znacznie dłuższy czas życia oraz nie wprowadza energii biernej do sieci. Pamiętajmy również, że oddawana energia do sieci przy hamowaniu powinna być możliwie "czysta" i bez zniekształceń. Inżynierowie z Japonii dopracowali przemiennik U1000 tak bardzo, że wartość THDi energii z odzysku wynosi pojedyncze procenty.

Główny obszar zastosowań przemienników Matrix U1000 to przede wszystkim wszelkie układy ze zwrotem energii: suwnice, podnośniki, taśmociągi opadające. Najczęściej jednak wykorzystuje się ten przemiennik w aplikacjach gdzie zależy nam na niskich zakłóceniach do sieci: statki, pompownie ropy naftowej.

W niedługim czasie zostanie wprowadzony dedykowany przemiennik typu Matrix do aplikacji windowych. Należy zaznaczyć również o ciągle malejącym koszcie zakupu tego typu urządzeń. W stosunku do tradycyjnego przemiennika częstotliwości z układem zwrotu energii oraz filtrami koszt U1000 jest taki sam a nawet mniejszy jeżeli uwzględnimy koszt montażu oraz mniejsze gabaryty szafy sterującej potrzebnej dla omawianego urządzenia.

Widzimy zatem, że postęp w przemiennikach częstotliwości jest widoczny. Możemy nawet mówić o pewnej rewolucji, która jest widoczna w U1000.

mgr inż. Marek Bukieda
Yaskawa Polska
www.yaskawa.pl