Нові частотники на 5.5кВт. Чому маленькі?
Нові частотники на 5.5кВт. Чому вони такі маленькі?
З липня 2026р. у нашому асортименті з’явилася нова модель, частотний перетворювач CFM310L на 5.5кВт. Якщо подивитися на нього, неможливо повірити, що цей малюк справді здатний З червня 2026р. в нашому асортименті з’явилась нова модель, частотний перетворювач керувати великим та важким п’ятикіловатним мотором. Старий п’ятикіловатник СFM310 був у півтора рази більшим та у 2 рази важчим. Зараз набіжать диванні експерти і скажуть, що так не буває, що немає в новому частотнику 5.5кВт, а є щонайбільше 3, і що жадібний виробник зекономив та намагається всіх обдурити. Але давайте не будемо поспішати з висновками і розберемося, в чому тут секрет.
перетворювачі CFM310 5,5 кВт та новий CFM310 L 5,5 кВт
Відразу скажу, що головний секрет у новому, воістину революційному напівпровідниковому матеріалі – карбіді кремнію, або Silicon Carbide (SiC) англійською. Що це за матеріал і чому він такий важливий для сучасної силової електроніки?
Зараз в Україні, як і в усьому іншому світі, дуже популярні електромобілі. Головним бестселером довгі роки залишався Nissan Leaf, перший насправді доступний електромобіль, придатний для повсякденного використання. Нашими дорогами їх їздить дуже багато. І щоразу, коли така машина проїжджає повз, Ви чуєте специфічний свист. Такий же свист добре знайомий тому, хто працює на виробництві, де багато промислових роботів і верстатів з ЧПУ. Однак більш сучасні машини, наприклад Tesla моделей 3 і Y ніякого свисту не видають і їдуть майже безшумно. Чому так?
Зараз в Україні, як і в усьому іншому світі, дуже популярні електромобілі. Головним бестселером довгі роки залишався Nissan Leaf, перший насправді доступний електромобіль, придатний для повсякденного використання. Нашими дорогами їх їздить дуже багато. І щоразу, коли така машина проїжджає повз, Ви чуєте специфічний свист. Такий же свист добре знайомий тому, хто працює на виробництві, де багато промислових роботів і верстатів з ЧПУ. Однак більш сучасні машини, наприклад Tesla моделей 3 і Y ніякого свисту не видають і їдуть майже безшумно. Чому так?
Справа в тому, що зараз у всіх електромобілях застосовуються трифазні двигуни різних типів, керовані від силового напівпровідникового перетворювача, по суті того ж частотника, тільки дуже потужного. Будь-який частотник містить у собі електронні ключі (транзистори), здатні вмикати та вимикати великий струм навантаження тисячі разів на секунду. Якщо в середньому по часу транзистор відкритий частіше, ніж закритий, на навантаження проходить більше напруги, а коли транзистор відкривається рідше – менше. Швидко керуючи відкриванням і закриванням кількох транзисторів за допомогою мікропроцесора, можна сформувати практично будь-яку потрібну напругу на навантаженні, зокрема перетворити постійну напругу батареї в трифазний струм, необхідний двигуну електромобіля. Так звідки береться свист?
Справа в тому, що частота, з якою можна перемикати ключі, обмежена. Кожне перемикання супроводжується втратами енергії, яка розсіюється у вигляді тепла. Якщо перемикати надто часто, ці втрати стають настільки великими, що відводити величезну кількість тепла від перетворювача стає проблемою, та й багато електроенергії витрачається даремно. У Nissan Leaf частота перемикання становить лише 7кГц, що і призводить до характерного свисту мотора.
Справа в тому, що частота, з якою можна перемикати ключі, обмежена. Кожне перемикання супроводжується втратами енергії, яка розсіюється у вигляді тепла. Якщо перемикати надто часто, ці втрати стають настільки великими, що відводити величезну кількість тепла від перетворювача стає проблемою, та й багато електроенергії витрачається даремно. У Nissan Leaf частота перемикання становить лише 7кГц, що і призводить до характерного свисту мотора.
плата звичайного перетворювача частоти CFM310 5,5 кВт
З моменту винаходу ЧП у 70-х роках минулого століття і донині переважна більшість промислових перетворювачів виготовляється на так званих IGBT транзисторах (Isolated Gate Bipolar Transistor). Це потужні, досить надійні прилади, що добре витримують великі перевантаження. За стільки років інженери довели їхні параметри практично до гранично можливих. IGBT транзистор характеризується тим, що у відкритому стані на ньому завжди втрачається не менше 1.5…2 вольт напруги, що призводить до постійних, так званих статичних втрат. Крім цього, при кожному перемиканні певна енергія витрачається на так званий перехідний процес. Наприклад, наш раніше випускаємий перетворювач CFM310 на 5.5кВт, виготовлений за цією технологією, при роботі під номінальним навантаженням у 13.6 ампер розсіює на силовому модулі близько 120Вт тепла, плюс ще близько 30Вт додає діодний міст. Разом 150Вт, тому там і стоїть такий масивний радіатор і 2 вентилятори чималих розмірів. І це при частоті перемикання модуля лише 6кГц, якщо її зробити вище, втрати значно зростуть, що призведе до підвищення робочої температури і зниження довговічності апарата. Якщо все ж таки потрібно зберегти нагрів на колишньому рівні при підвищених частотах перемикання, доведеться зменшити навантаження.
плата нового перетворювача частоти CFM310L 5,5 кВт
Проблема значно посилюється, коли деякі користувачі, всупереч рекомендаціям виробника, встановлюють перетворювач у тісну закриту шафу зі слабкою вентиляцією або без вентиляції взагалі. Частотник змушений постійно працювати при температурі всередині шафи 60…70 градусів, а це дуже шкідливо для багатьох електронних компонентів, що знаходяться всередині нього. Наприклад, відомо, що підвищення температури на 10 градусів скорочує термін служби електролітичних конденсаторів удвічі.
А наш новий перетворювач CFM310L на 5.5кВт, виготовлений на сучасному силовому модулі з карбіду кремнію, при тому ж самому навантаженні розсіює лише 79Вт, що дозволило значно зменшити розміри радіатора і перетворювача в цілому, та ще й знизити робочу температуру.
А наш новий перетворювач CFM310L на 5.5кВт, виготовлений на сучасному силовому модулі з карбіду кремнію, при тому ж самому навантаженні розсіює лише 79Вт, що дозволило значно зменшити розміри радіатора і перетворювача в цілому, та ще й знизити робочу температуру.
новий перетворювач частоти CFM310 L 5,5 кВт
На часткових навантаженнях нові перетворювачі дають ще більший виграш у зв’язку з тим, що карбідкремнієві транзистори є, по суті, різновидом MOSFETів (транзисторів, керованих електричним полем), і не мають постійних втрат напруги в 1.5..2 вольта, як IGBT. При половинному навантаженні втрати у старому модулі зменшуються вдвічі, а в новому вчетверо (квадратична залежність), що дозволяє новому ЧП в деяких випадках працювати взагалі без увімкнення вентиляторів.
Втрати енергії при перемиканні нових транзисторів також набагато менші, вони настільки малі, що можна при необхідності без проблем підвищити частоту перемикання ШІМ у частотнику до максимально можливої (у нашому ЧП до 12кГц), не побоюючись, що модуль перегріється під навантаженням, тим самим знизити акустичний шум двигуна і підвищити точність формування синусоїдального струму, що особливо важливо для високооборотних шпиндельних двигунів з частотою обертання 250…800Гц.
Не дивно, що в нових електромобілях Tesla ставлять саме карбідкремнієві транзистори, що дозволяє вбити одразу трьох зайців, а саме знизити втрати енергії і збільшити пробіг на одному заряді, зменшити нагрів і необхідну площу радіаторів охолодження, а також підняти частоту ШІМ вище чутного діапазону 20кГц, тим самим повністю усунувши неприємний свист мотора. Зараз на карбідкремнієві транзистори поступово переходять практично всі провідні виробники силової електроніки, їх ставлять у промислове обладнання, сервоприводи, електромобілі і швидкісні електропоїзди. Навіть у блоки живлення для майнінгу криптовалюти.
Ми теж намагаємося не відставати. Найближчим часом ми випустимо багато нових моделей на цій технології. Є плани зробити ЧП з пасивним охолодженням, а також моделі на 13 і більше кВт. При цьому вартість нових перетворювачів залишиться в розумних межах, завдяки меншій металоємності і спрощенню складання.
Втрати енергії при перемиканні нових транзисторів також набагато менші, вони настільки малі, що можна при необхідності без проблем підвищити частоту перемикання ШІМ у частотнику до максимально можливої (у нашому ЧП до 12кГц), не побоюючись, що модуль перегріється під навантаженням, тим самим знизити акустичний шум двигуна і підвищити точність формування синусоїдального струму, що особливо важливо для високооборотних шпиндельних двигунів з частотою обертання 250…800Гц.
Не дивно, що в нових електромобілях Tesla ставлять саме карбідкремнієві транзистори, що дозволяє вбити одразу трьох зайців, а саме знизити втрати енергії і збільшити пробіг на одному заряді, зменшити нагрів і необхідну площу радіаторів охолодження, а також підняти частоту ШІМ вище чутного діапазону 20кГц, тим самим повністю усунувши неприємний свист мотора. Зараз на карбідкремнієві транзистори поступово переходять практично всі провідні виробники силової електроніки, їх ставлять у промислове обладнання, сервоприводи, електромобілі і швидкісні електропоїзди. Навіть у блоки живлення для майнінгу криптовалюти.
Ми теж намагаємося не відставати. Найближчим часом ми випустимо багато нових моделей на цій технології. Є плани зробити ЧП з пасивним охолодженням, а також моделі на 13 і більше кВт. При цьому вартість нових перетворювачів залишиться в розумних межах, завдяки меншій металоємності і спрощенню складання.
перетворювачі CFM310 5,5 кВт та новий CFM310 L 5,5 кВт
Так що ж, це ідеальна технологія, у якої немає недоліків? На жаль, так не буває, ідеального нічого нема. Зазначена вище квадратична залежність статичних втрат у силовому модулі з карбіду кремнію від струму навантаження справді забезпечує феноменальну економічність і дуже низьке тепловиділення на номінальних і часткових навантаженнях. Однак вище номіналу, при перевантаженнях перетворювача, які іноді трапляються в процесі роботи, через квадратичний закон втрати зростають різкіше, ніж у традиційних модулів на IGBT, і при дворазовому перевантаженні стають практично такими ж. Через менші розміри і масу новий частотник у таких умовах перегріється швидше старого, тому любителям вичавлювати останні соки з апарата, постійно працюючи з навантаженнями вище номінальних, ми рекомендуємо продовжувати використовувати старі добрі частотники на основі IGBT. Навпаки, для тих, у кого мало місця в монтажній шафі, ускладнені умови охолодження, поруч встановлено інше обладнання, що виділяє багато тепла, або потрібна підвищена частота ШІМ для зниження акустичного шуму чи роботи з високооборотним шпинделем, слід однозначно вибирати нові моделі на основі карбіду кремнію (SiC), тут їхні переваги незаперечні. Є ще один недолік. Дуже швидке перемикання нових транзисторів зменшує втрати, але дещо збільшує рівень випромінюваних радіозавад, а також високовольтних викидів при використанні надто довгого кабелю для підключення мотора. Якщо довжина кабелю перевищує 15…20 метрів, може знадобитися застосування додаткових фільтрів, хоча в більшості випадків все працює без проблем і при набагато більшій довжині.
І все ж я не був би інженером, якби не спробував намацати межі нової технології. Не повторюйте мій експеримент вдома, я робив це в контрольованих лабораторних умовах, мені можна. Під час випробувань я на 1 годину навантажив цього малюка струмом 18 ампер. Це відповідає номіналу нашого більш потужного частотника CFM310 7.5кВт. Нагадаю, що промисловий стандарт вимагає, щоб частотник витримував перевантаження 150% протягом лише 1 хвилини… Як навантаження використовувалася зв’язка з двох 11-кіловатних двигунів, з’єднаних валами. Один підключався до частотника, другий працював як генератор, створюючи навантаження і повертаючи енергію в трифазну мережу. При температурі навколишнього середовища 27 градусів силовий модуль у частотнику нагрівся майже до 80, але продовжував працювати як ні в чому не бувало. До речі, під номінальним навантаженням його температура зазвичай становить близько 50 градусів при тих же 27 градусах ззовні. Це говорить про великий запас надійності і хороші перспективи нової технології.
І все ж я не був би інженером, якби не спробував намацати межі нової технології. Не повторюйте мій експеримент вдома, я робив це в контрольованих лабораторних умовах, мені можна. Під час випробувань я на 1 годину навантажив цього малюка струмом 18 ампер. Це відповідає номіналу нашого більш потужного частотника CFM310 7.5кВт. Нагадаю, що промисловий стандарт вимагає, щоб частотник витримував перевантаження 150% протягом лише 1 хвилини… Як навантаження використовувалася зв’язка з двох 11-кіловатних двигунів, з’єднаних валами. Один підключався до частотника, другий працював як генератор, створюючи навантаження і повертаючи енергію в трифазну мережу. При температурі навколишнього середовища 27 градусів силовий модуль у частотнику нагрівся майже до 80, але продовжував працювати як ні в чому не бувало. До речі, під номінальним навантаженням його температура зазвичай становить близько 50 градусів при тих же 27 градусах ззовні. Це говорить про великий запас надійності і хороші перспективи нової технології.
Сподіваємося, що наш новий продукт дозволить клієнтам розширити сферу застосування наших частотних перетворювачів, отримати більш високу надійність і економічність, зменшити габарити і спростити монтаж, а також збільшити термін служби свого обладнання.