Шкафы управления частотными преобразователями являются важными компонентами современных промышленных и коммерческих систем. Частотники обеспечивают точное управление скоростью, крутящим моментом и эффективностью двигателя, согласовывая скорость с требованиями нагрузки для минимизации энергопотребления. Устройства плавного пуска постепенно увеличивают напряжение двигателя, чтобы ограничить пусковой ток и предотвратить повреждение электрической системы.
Контролируемый пусковой ток снижает износ механических компонентов, таких как шестерни, ремни и муфты. Регулируя работу двигателя в соответствии с требованиями нагрузки, шкафы управления частотными преобразователями повышают энергоэффективность, улучшают управление технологическими процессами и снижают механический износ, что делает их незаменимыми для систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (ОВК) и производственных систем, таких как лифты, эскалаторы, конвейеры, дробилки и смесители. Устройства плавного пуска больше подходят для применений с постоянной скоростью, таких как насосы и вентиляторы.
Усовершенствованные электронные компоненты в шкафах управления частотными преобразователями подвержены электрическим опасностям, таким как перегрузки по току, переходные скачки напряжения и гармонические искажения. Эти опасности могут привести к отказам оборудования, дорогостоящим простоям и сокращению срока службы системы без надлежащей защиты цепей. Для обеспечения надежности и долговечности частотно-регулируемых приводов (ЧРП) и устройств плавного пуска необходимо внедрить надежные защитные меры для защиты от электрических опасностей.
В этой статье представлены рекомендации для разработчиков по защите конструкций шкафов управления частотными преобразователями и устройств плавного пуска от перегрузок по току, скачков переходного напряжения и электростатического разряда. Также предлагаются рекомендации по повышению эффективности этих конструкций для обеспечения минимального энергопотребления. Защита цепей и высокая эффективность будут способствовать разработке надежных изделий.
Преобразователи частоты
Шкафы управления частотными преобразователями управляют двигателями различной мощности, от 0,25 л.с. (0,186 кВт) до более 10 000 л.с. (7457 кВт). В большинстве применений, таких как системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (ОВК), насосы, конвейеры и другие промышленные устройства, требуются двигатели мощностью от 5 л.с. (3,728 кВт) до 10 000 л.с. (7457 кВт). В результате, шкафы управления частотными преобразователями обычно питаются от трехфазных линий переменного тока напряжением 400 В и выше. Эти линии могут создавать опасные высокие токи при перегрузке по току и подвержены скачкам напряжения, вызванным молнией и коммутацией больших индуктивных нагрузок.
Защита частотных преобразователей
В следующем разделе рассматриваются проблемы, связанные с электрическими опасностями для ПЧ. В подразделах обсуждаются рекомендуемые защитные компоненты для каждого блока цепи в шкафах управления частотными преобразователями.
Цепь защиты от перегрузки по току на входе переменного тока обеспечивает первую линию защиты от перегрузок по току и скачков напряжения. Перегрузка или короткое замыкание в двигателе или самом частотном преобразователе могут потреблять большой ток из сети переменного тока. Индуцированные в сетях переменного тока переходные процессы напряжения могут создавать опасные напряжения и вызывать скачки тока в цепи частотного преобразователя. Для отключения цепи от сети и поглощения переходных процессов рекомендуется использовать предохранители и металлооксидные варисторы. Размещение этих компонентов как можно ближе к входным клеммам частотного преобразователя минимизирует распространение переходных процессов в цепи.
Рассмотрите возможность установки быстродействующего предохранителя в каждой из линий трехфазного источника питания. Быстродействующий предохранитель защищает чувствительные к перенапряжениям компоненты. Убедитесь, что выбранный предохранитель имеет:
- Номинальную отключающую способность, превышающую допустимый ток короткого замыкания сети переменного тока;
- Номинальное напряжение, превышающее максимальное напряжение сети переменного тока;
- Сертификацию UL или CSA для компонентов, что позволит сэкономить время и средства при получении сертификата национальной испытательной лаборатории (NRTL) для системы частотного преобразователя.
Для защиты от скачков напряжения выберите варистор, который:
- Безопасно выдерживает максимальный расчетный пиковый импульсный ток – варисторы могут иметь пиковый импульсный ток до 10 кА
- Безопасно выдерживает максимальную расчетную импульсную энергию – варисторы могут иметь пиковую импульсную энергию до 480 Дж
- Имеет сертификат UL 1449 или эквивалентный сертификат NRTL.
Некоторые модели варисторов включают в себя термоэлемент, который размыкается для защиты варистора в случае длительного скачка напряжения. Термоэлемент размыкается, чтобы защитить варистор от перегрева. Эти модели имеют третий вывод, указывающий, был ли варистор отключен от цепи и больше не обеспечивает защиту от скачков напряжения. Этот тип варистора гарантирует, что система всегда будет знать о состоянии варистора для обеспечения максимальной безопасности системы.
Цепь инвертора
Цепь инвертора подает трехфазное переменное напряжение на двигатель. Защитите цепь инвертора от повреждающего короткого замыкания с помощью высокоскоростных полупроводниковых предохранителей. Этот тип предохранителя способен прерывать перегрузку по току, в пять раз превышающую номинальный ток предохранителя, за миллисекунды. Он может работать в цепях с напряжением до 1300 В переменного тока и 1000 В постоянного тока. Модели могут иметь номинальный ток до 2250 А для широкого спектра применений.
Защита силовых полупроводников инвертора от перегрева имеет важное значение для надежной и стабильной работы. Терморезисторные датчики с отрицательным температурным коэффициентом (NTC) определяют температуру устройств, позволяя системе управления прерывать подачу питания, если какой-либо силовой полупроводник достигает опасной температуры. Терморезисторы обладают долговременной стабильностью и допусками от 2 до 10 %. Конструкторы могут интегрировать терморезисторные элементы в кольцевой клеммный узел для упрощения монтажа устройств или радиаторов.
Схема вспомогательного питания
MOSFET и его драйвер затвора во вспомогательном источнике питания нуждаются в защите от переходных процессов и электростатического разряда. Необходимую защиту может обеспечить диод подавления переходных напряжений (TVS). Диоды TVS могут обладать широким спектром возможностей, среди которых:
- Поглощение пиковой импульсной мощности до 1500 Вт или импульсного тока до 120 А
- Защита от электростатических разрядов напряжением до 30 кВ
- Время отклика менее наносекунды
- Однонаправленная или двунаправленная работа
- Корпус для поверхностного монтажа.
К счастью, для защиты частотно-регулируемого привода требуется небольшое количество компонентов; однако без этих компонентов защита частотно-регулируемого привода будет серьезно нарушена.
Эффективное управление преобразователем частоты
Управление и подача высокой мощности могут привести к существенным потерям мощности в схеме ПЧ. В следующих подразделах статьи предлагаются варианты компонентов для оптимизации эффективности блоков схемы ПЧ. Варианты для разработчика варьируются от дискретных компонентов до готовых сборок.
Выпрямительная схема
Выпрямительная схема преобразует переменное напряжение сети в постоянное напряжение. Существует множество вариантов для разработки эффективной конструкции выпрямителя высокой мощности. Разработчики могут использовать отдельные диоды, диодные модули, мосты переменного тока и силовые блоки. Доступны отдельные диоды с низким прямым напряжением и низким обратным током утечки в микроамперах и миллиамперах. В зависимости от требуемого уровня мощности выпрямитель может быть построен из отдельных диодов, фазовых блоков или даже в виде комплексного решения. Силовые блоки, состоящие из фазового блока или полной сборки, включают диодные и тиристорные мосты, высокоскоростные предохранители и подавители перенапряжения, и также доступны. Силовые блоки представляют собой готовое решение для выпрямления высокой мощности. Доступны варианты, способные выдерживать ток нагрузки до 10 кА.
Схема тормозного прерывателя
Тормозной прерыватель рассеивает энергию торможения в резисторе и безопасно поддерживает напряжение постоянного тока в шине. В схеме используется IGBT в качестве переключателя для управления током в резисторе. IGBT могут потреблять сотни ампер и могут быть соединены параллельно для управления еще более высокими токами. Доступные модули включают IGBT и диод свободного хода. Модули могут иметь международный стандарт или корпус для поверхностного монтажа в зависимости от требуемого тока.
Схема инвертора
Инвертор генерирует трехфазный переменный ток для привода двигателя. Разработчик может использовать различные варианты для этого применения, включая полумостовые пары IGBT, трехфазные модули IGBT и дискретные транзисторы. Эти компоненты могут работать в цепях с напряжением выше 1000 В, а некоторые модели могут выдавать ток до 200 А. Многие из этих компонентов имеют низкое напряжение насыщения VCE(SAT) < 2 В для работы в открытом состоянии с низкими потерями.
Модули полумоста размещаются в корпусах для поверхностного монтажа с изолированной задней поверхностью. Корпус имеет низкую связь между выводами и радиатором. В трехфазных мостовых модулях используются корпуса с большим количеством выводов, медной подложкой и внутренним прямым медным соединением. Эти модули рассчитаны на работу при коротком замыкании длительностью 10 мкс. Один высокоинтегрированный модуль включает в себя трехфазные выпрямительный и инверторный каскады, что позволяет максимально экономить место на печатной плате. Этот модуль также имеет терморезистор для контроля температуры.
Схема вспомогательного источника питания
Вспомогательный источник питания обеспечивает питание схем управления, датчиков и связи. Он также питает широтно-импульсный модулятор и вентиляторы охлаждения. Управление импульсным источником питания может осуществляться с помощью кремниевых (Si) MOSFET, кремниево-карбидных (SiC) MOSFET и высоковольтных IGBT. Высоковольтные модели MOSFET могут иметь номинальное напряжение до 1200 В и 1700 В. Значения VCES IGBT могут превышать 2500 В. MOSFET обеспечивают более высокие частоты переключения и максимальную эффективность источника питания при очень низких значениях RDS(ON), заряда затвора и выходной емкости. Высоковольтные IGBT устраняют необходимость в нескольких последовательно соединенных компонентах с высоким выходным током, особенно с высоким пиковым выходным током.
Микросхемы драйверов затвора эффективно управляют SiC MOSFET и IGBT. Эти микросхемы могут инициировать быстрое переключение силового транзистора с управляющими сигналами, имеющими согласованные времена нарастания и спада всего 7 нс. Задержки распространения сигнала для драйвера затвора могут составлять всего 16 нс (типичное значение). Некоторые модели включают в себя функции безопасности, такие как тепловая защита, блокировка при пониженном напряжении (UVLO) и контроль перегрузки по току силового транзистора с плавным отключением. Эти компоненты могут потреблять низкий рабочий ток, всего 10 мкА. Драйверы затвора предлагают однокомпонентное решение для безопасного и эффективного управления силовыми транзисторами. Они рекомендуются для минимизации занимаемого места на печатной плате и энергопотребления в импульсных источниках питания.
Управляющие переключатели
Конструкция частотно-регулируемого привода требует переключателей для управления включением/выключением, настройки конфигурации привода, управления входом/выходом и тестирования. Выбор долговечных переключателей с длительным сроком службы способствует надежности системы. Доступны переключатели с классом защиты IP67 от пыли и влаги, а также со сроком службы не менее 100 000 циклов. Срок службы различных моделей может достигать 5 000 000 циклов. Доступно множество типов и опций переключателей для решения широкого спектра задач.
Заключение
Для обеспечения надежной работы шкафов управления частотными преобразователями необходима комплексная защита от электрических опасностей, включая перегрузки по току, переходные процессы перенапряжения и электростатический разряд. Кроме того, использование высокоэффективных компонентов позволяет значительно экономить энергию. Производители предлагают широкий ассортимент защитных компонентов, высокоэффективных устройств, полупроводников и переключателей, что позволяет разработчикам оптимизировать свою цепочку поставок. Разработчики также могут сэкономить время на проектировании и разработке, а также затраты на соответствие нормативным требованиям, используя услуги, предлагаемые производителями компонентов:
- Инженеры по применению на местах, которые помогают в выборе экономически эффективных компонентов защиты, эффективного управления и датчиков
- Инженеры по применению на местах, обладающие знаниями применимых стандартов безопасности
- Услуги по предварительному тестированию на соответствие нормативным требованиям для предотвращения нарушений и сокращения задержек и расходов, связанных с повторными циклами тестирования на соответствие.
Использование услуг и рекомендаций от РИТМ, поможет инженерам-электронщикам проектировать надежные, отказоустойчивые и эффективные шкафы управления частотными преобразователями.