Новые частотники на 5.5кВт. Почему маленькие?
Новые частотники на 5.5кВт. Почему они такие маленькие?
С июля 2026г. в нашем ассортименте появилась новая модель, частотный преобразователь CFM310L на 5.5кВт. Если посмотреть на него, невозможно поверить, что этот малыш действительно способен управлять большим и тяжелым пятикиловаттным мотором. Старый пятикиловаттник СFM310 был в полтора раза больше и в 2 раза тяжелей. Сейчас набегут диванные эксперты и скажут, что так не бывает, что нету в новом частотнике 5.5кВт, а есть от силы 3, и что жадный производитель сэкономил и пытается всех обмануть. Но давайте не будем торопиться с выводами и разберемся, в чем здесь секрет.
преобразователи CFM310 5,5 кВт и новый CFM310 L 5,5 кВт
Сразу скажу, что главный секрет в новом, поистине революционном полупроводниковом материале – карбиде кремния, или Silicon Carbide (SiC) на английском. Что это за материал и почему он так важен для современной силовой электроники?
Сейчас в Украине, как и во всем остальном мире, очень популярны электромобили. Главным бестселлером долгие годы оставался Ниссан Лиф, первый действительно доступный электромобиль, пригодный для повседневного использования. По нашим дорогам их ездит очень много. И каждый раз, когда такая машина проезжает мимо, Вы слышите специфический свист. Такой же свист хорошо знаком тому, кто работает на производстве, где много промышленных роботов и станков с ЧПУ. Однако более современные машины, например Тесла моделей 3 и Y никакого свиста не издают и едут почти бесшумно. Почему так?
Сейчас в Украине, как и во всем остальном мире, очень популярны электромобили. Главным бестселлером долгие годы оставался Ниссан Лиф, первый действительно доступный электромобиль, пригодный для повседневного использования. По нашим дорогам их ездит очень много. И каждый раз, когда такая машина проезжает мимо, Вы слышите специфический свист. Такой же свист хорошо знаком тому, кто работает на производстве, где много промышленных роботов и станков с ЧПУ. Однако более современные машины, например Тесла моделей 3 и Y никакого свиста не издают и едут почти бесшумно. Почему так?
Все дело в том, что сейчас во всех электромобилях применяются трехфазные двигатели различных типов, управляемые от силового полупроводникового преобразователя, по сути того же частотника, только очень мощного. Любой частотник содержит в себе электронные ключи (транзисторы), способные включать и выключать большой ток нагрузки тысячи раз в секунду. Если в среднем по времени транзистор открыт чаще, чем закрыт, на нагрузку проходит больше напряжения, а когда транзистор открывается реже – меньше. Быстро управляя открыванием и закрыванием нескольких транзисторов с помощью микропроцессора, можно сформировать практически любое нужное напряжение на нагрузке, в частности преобразовать постоянное напряжение батареи в трехфазный ток, необходимый двигателю электромобиля. Так откуда берется свист?
Дело в том, что частота, с которой можно переключать ключи, ограничена. Каждое переключение сопровождается потерями энергии, которая рассеивается в виде тепла. Если переключать слишком часто, эти потери становятся настолько большими, что отводить огромное количество тепла от преобразователя становится проблемой, да и много электроэнергии тратится впустую. В Ниссане Лиф частота переключения составляет всего 7кГц, что и приводит к характерному свисту мотора.
Дело в том, что частота, с которой можно переключать ключи, ограничена. Каждое переключение сопровождается потерями энергии, которая рассеивается в виде тепла. Если переключать слишком часто, эти потери становятся настолько большими, что отводить огромное количество тепла от преобразователя становится проблемой, да и много электроэнергии тратится впустую. В Ниссане Лиф частота переключения составляет всего 7кГц, что и приводит к характерному свисту мотора.
плата обычного преобразователя частоты CFM310 5,5 кВт
С момента изобретения ПЧ в 70х годах прошлого века по настоящее время подавляющее большинство промышленных преобразователей делается на так называемых IGBT транзисторах (Isolated Gate Bipolar Transistor). Это мощные, достаточно надежные приборы, хорошо выдерживающие большие перегрузки. За столько лет инженеры довели их параметры довели практически до предельно возможных. IGBT транзистор характеризуется тем, что в открытом состоянии на нем всегда теряется не менее 1.5…2 вольт напряжения, что приводит к постоянным, так называемым статическим потерям. Кроме этого, при каждом переключении определенная энергия тратится на так называемый переходной процесс. Например, наш ранее выпускаемый преобразователь CFM310 на 5.5кВт, сделанный по этой технологии, при работе под номинальной нагрузкой в 13.6 ампер рассеивает на силовом модуле около 120Вт тепла, плюс еще около 30Вт добавляет диодный мост. Итого 150Вт, потому там и стоит такой массивный радиатор и 2 вентилятора немалых размеров. И это при частоте переключения модуля всего 6кгц, если ее сделать выше, потери намного вырастут, что приведет к увеличению рабочей температуры и снижению долговечности аппарата. Если все-таки нужно сохранить нагрев на прежнем уровне при повышенных частотах переключения, придется уменьшить нагрузку.
плата нового преобразователя частоты CFM310L 5,5 кВт
Проблема сильно усугубляется, когда некоторые пользователи, вопреки рекомендациям производителя, устанавливают преобразователь в тесный закрытый шкаф со слабой вентиляцией или без вентиляции вообще. Частотник вынужден постоянно работать при температуре внутри шкафа 60…70 градусов, а это очень вредно для многих электронных компонентов, находящихся внутри него. Например известно, что увеличение температуры на 10 градусов сокращает срок службы электролитических конденсаторов вдвое.
А вот новый преобразователь CFM310L на 5.5кВт, сделанный на современном силовом модуле из карбида кремния, при той же самой нагрузке рассеивает всего 79Вт, что позволило намного уменьшить размеры радиатора и преобразователя в целом, да еще и снизить рабочую температуру.
А вот новый преобразователь CFM310L на 5.5кВт, сделанный на современном силовом модуле из карбида кремния, при той же самой нагрузке рассеивает всего 79Вт, что позволило намного уменьшить размеры радиатора и преобразователя в целом, да еще и снизить рабочую температуру.
новый преобразователь частоты CFM310 L 5,5 кВт
На частичных нагрузках новые преобразователи дают еще больший выигрыш в связи с тем, что в карбидкремниевые транзисторы являются, по сути, разновидностью MOSFETов (управляемых электрическим полем транзисторов), и не имеют постоянных потерь напряжения в 1.5..2вольта, как IGBT. При половинной нагрузке потери в старом модуле уменьшаются вдвое, а в новом вчетверо (квадратичная зависимость), что позволяет новому ПЧ в некоторых случаях работать вообще без включения вентиляторов.
Потери энергии при переключении новых транзисторов также намного меньше, они настолько малы, что можно при необходимости без проблем повысить частоту переключения ШИМ в частотнике до максимально возможной (в нашем ПЧ до 12кГц), не опасаясь, что модуль перегреется под нагрузкой, тем самым снизить акустический шум двигателя и повысить точность формирования синусоидального тока, что особенно важно для высокооборотных шпиндельных двигателей с частотой вращения 250…800Гц.
Неудивительно, что в новых электромобилях Тесла ставят именно карбидкремниевые транзисторы, что позволяет убить сразу трех зайцев, а именно снизить потери энергии и увеличить пробег на одной зарядке, уменьшить нагрев и необходимую площадь радиаторов охлаждения, а также поднять частоту ШИМ выше слышимого диапазона 20кГц, тем самым полностью устранив неприятный свист мотора. Сейчас на карбидкремниевые транзисторы постепенно переходят практически все ведущие производители силовой электроники, их ставят в промышленное оборудование, сервоприводы, электромобили и скоростные электропоезда. Даже в блоки питания для майнинга криптовалюты.
Мы тоже стараемся не отставать. В ближайшее время мы выпустим много новых моделей на этой технологии. Есть планы сделать ПЧ с пассивным охлаждением, а также модели на 13 и более кВт. При этом стоимость новых преобразователей останется в разумных пределах, благодаря меньшей металлоемкости и упрощению сборки.
Потери энергии при переключении новых транзисторов также намного меньше, они настолько малы, что можно при необходимости без проблем повысить частоту переключения ШИМ в частотнике до максимально возможной (в нашем ПЧ до 12кГц), не опасаясь, что модуль перегреется под нагрузкой, тем самым снизить акустический шум двигателя и повысить точность формирования синусоидального тока, что особенно важно для высокооборотных шпиндельных двигателей с частотой вращения 250…800Гц.
Неудивительно, что в новых электромобилях Тесла ставят именно карбидкремниевые транзисторы, что позволяет убить сразу трех зайцев, а именно снизить потери энергии и увеличить пробег на одной зарядке, уменьшить нагрев и необходимую площадь радиаторов охлаждения, а также поднять частоту ШИМ выше слышимого диапазона 20кГц, тем самым полностью устранив неприятный свист мотора. Сейчас на карбидкремниевые транзисторы постепенно переходят практически все ведущие производители силовой электроники, их ставят в промышленное оборудование, сервоприводы, электромобили и скоростные электропоезда. Даже в блоки питания для майнинга криптовалюты.
Мы тоже стараемся не отставать. В ближайшее время мы выпустим много новых моделей на этой технологии. Есть планы сделать ПЧ с пассивным охлаждением, а также модели на 13 и более кВт. При этом стоимость новых преобразователей останется в разумных пределах, благодаря меньшей металлоемкости и упрощению сборки.
преобразователи CFM310 5,5 кВт и новый CFM310 L 5,5 кВт
Так что же, это идеальная технология, у которой нет недостатков? К сожалению, так не бывает, идеального ничего нет. Указанная выше квадратичная зависимость статических потерь в силовом модуле из карбида кремния от тока нагрузки действительно обеспечивает феноменальную экономичность и очень низкое тепловыделение на номинальных и частичных нагрузках. Однако выше номинала, при перегрузках преобразователя, которые иногда случаются в процессе работы, из-за квадратичного закона потери растут резче, чем у традиционных модулей на IGBT, и при двукратной перегрузке становятся практически такими же. Из-за меньших размеров и массы новый частотник в таких условиях перегреется быстрее старого, так что любителям выжимать последние соки из аппарата, постоянно работая с нагрузками выше номинальных, мы рекомендуем продолжать использовать старые добрые частотники на основе IGBT. Напротив, для тех, у кого мало места в монтажном шкафу, затруднены условия охлаждения, рядом установлено другое оборудование, которое выделяет много тепла, или требуется повышенная частота ШИМ для снижения акустического шума или работы с высокооборотным шпинделем, следует однозначно выбирать новые модели на основе карбида кремния (SiC), здесь их преимущества неоспоримы. Есть еще один недостаток. Очень быстрое переключение новых транзисторов уменьшает потери, но несколько увеличивает уровень излучаемых радиопомех, а также высоковольтных выбросов при использовании слишком длинного кабеля для подключения мотора. Если длина кабеля превышает 15…20 метров, может потребоваться применение дополнительных фильтров, хотя в большинстве случаев все работает без проблем и на гораздо большей длине.
И все же я не был бы инженером, если бы не попытался нащупать пределы новой технологии. Не повторяйте мой опыт у себя дома, я делал это в контролируемых лабораторных условиях, мне можно. Во время испытаний я на 1 час нагрузил этого малыша током 18 ампер. Это соответствует номиналу нашего более мощного частотника CFM310 7.5кВт. Напомню, что промышленный стандарт требует, чтобы частотник выдерживал перегрузку 150% в течение всего 1 минуты… В качестве нагрузки использовалась связка из двух 11киловаттных двигателей, соединенных валами. Один подключался к частотнику, второй работал в качестве генератора, создавая нагрузку и возвращая энергию в трехфазную сеть. При окружающей температуре 27градусов силовой модуль в частотнике нагрелся почти до 80, но продолжал работать как ни в чем не бывало. С слову сказать, под номинальной нагрузкой его температура обычно составляет около 50 градусов при тех же 27 градусах снаружи. Это говорит о большом запасе надежности и хороших перспективах новой технологии.
И все же я не был бы инженером, если бы не попытался нащупать пределы новой технологии. Не повторяйте мой опыт у себя дома, я делал это в контролируемых лабораторных условиях, мне можно. Во время испытаний я на 1 час нагрузил этого малыша током 18 ампер. Это соответствует номиналу нашего более мощного частотника CFM310 7.5кВт. Напомню, что промышленный стандарт требует, чтобы частотник выдерживал перегрузку 150% в течение всего 1 минуты… В качестве нагрузки использовалась связка из двух 11киловаттных двигателей, соединенных валами. Один подключался к частотнику, второй работал в качестве генератора, создавая нагрузку и возвращая энергию в трехфазную сеть. При окружающей температуре 27градусов силовой модуль в частотнике нагрелся почти до 80, но продолжал работать как ни в чем не бывало. С слову сказать, под номинальной нагрузкой его температура обычно составляет около 50 градусов при тех же 27 градусах снаружи. Это говорит о большом запасе надежности и хороших перспективах новой технологии.
Надеемся, что наш новый продукт позволит клиентам расширить область применения наших преобразователей частоты, получить более высокую надежность и экономичность, уменьшить габариты и упростить монтаж, а также увеличить срок службы своего оборудования.