Поставщики оборудования для преобразователей частоты напоминают, что преобразователи частоты – это преобразователи мощности в системах управления движением. Современные системы управления движением – это техническая область, охватывающая множество дисциплин, и общая тенденция развития такова: преобразователи переменного тока, высокочастотные преобразователи мощности, цифровое, интеллектуальное и сетевое управление. Поэтому преобразователи частоты, являясь важным компонентом системы преобразования энергии, получили быстрое развитие, представляя собой управляемые высокопроизводительные источники переменного тока с регулируемым напряжением и частотой.
В XXI веке подложка силовой электроники была преобразована из Si (кремния) в SiC (карбид кремния), что открыло эру высоковольтных, высокочастотных, модульных компонентов большой ёмкости, миниатюризации, интеллектуальности и низкой стоимости для новых силовых электронных устройств. В настоящее время разрабатываются и исследуются различные новые электротехнические устройства, подходящие для частотно-регулируемого регулирования скорости. Стремительное развитие информационных технологий и постоянное совершенствование теории управления повлияют на тенденции развития преобразователей частоты.
С расширением рынка и диверсификацией потребностей пользователей функции отечественных преобразователей частоты постоянно совершенствуются и расширяются, обеспечивая более высокую интеграцию и систематизацию, и уже появились некоторые специализированные преобразователи частоты. Сообщается, что в последние годы рынок преобразователей частоты в Китае сохраняет темпы роста 12-15%, и ожидается, что темпы роста будут превышать 10% в течение как минимум следующих 5 лет. В настоящее время темпы роста установленной мощности преобразователей частоты на китайском рынке составляют около 20%. Ожидается, что рынок преобразователей частоты достигнет насыщения и постепенного развития как минимум через 10 лет.
1. Интеллект
После установки интеллектуального преобразователя частоты в систему отпадает необходимость в выполнении множества функциональных настроек. Он прост в эксплуатации и использовании, имеет наглядную индикацию рабочего состояния, обеспечивает диагностику и устранение неисправностей, а также автоматическую замену компонентов. Интернет позволяет осуществлять удаленный мониторинг и связывать несколько преобразователей частоты в соответствии с технологическими процессами, формируя оптимизированную интегрированную систему управления и контроля преобразователей.
2. Специализация
Производство специализированных преобразователей частоты, основанное на характеристиках определённого типа нагрузки, не только выгодно для экономичного и эффективного управления двигателем нагрузки, но и позволяет снизить производственные затраты. Например, преобразователи частоты для вентиляторов и насосов, преобразователи частоты для подъёмных механизмов, преобразователи частоты для управления лифтами, преобразователи частоты для регулирования натяжения и преобразователи частоты для систем кондиционирования воздуха.
3. Интеграция
Преобразователь частоты выборочно объединяет в единое целое необходимые функциональные компоненты, такие как система идентификации параметров, ПИД-регулятор, ПЛК-контроллер и блок связи, что не только расширяет функциональность и повышает надежность системы, но и эффективно уменьшает объём системы и минимизирует внешние соединения. Согласно отчётам, была разработана интегрированная система, состоящая из преобразователя частоты и электродвигателя, что делает всю систему компактнее и упрощает управление.
4. Охрана окружающей среды
Защита окружающей среды и производство «зелёной» продукции — новая концепция для человечества. В будущем преобразователи частоты будут больше ориентированы на энергосбережение и снижение уровня загрязнения, то есть на минимизацию загрязнения и помех, создаваемых шумами и гармониками в электросети и другом электрооборудовании во время эксплуатации.
5. Самоотключение, модульность, интеграция и интеллектуальность компонентов коммутации питания в главной цепи непрерывно увеличивают частоту коммутации и еще больше снижают потери при коммутации.
6. По топологической структуре главная цепь преобразователя частоты:
Преобразователь частоты со стороны сети часто использует 6-импульсный преобразователь для устройств низкого напряжения и малой мощности, в то время как мультиплексированный 12-импульсный или более преобразователь используется для устройств среднего напряжения и большой мощности. Преобразователи со стороны нагрузки часто используют двухуровневые мостовые инверторы для устройств низкого напряжения малой мощности, в то время как многоуровневые инверторы используются для устройств среднего напряжения большой мощности. Для передачи четырех квадрантного режима работы, чтобы добиться рекуперативной обратной связи по энергии в сеть и экономии энергии, инвертор со стороны сети должен быть обратимым инвертором. В то же время появился двойной инвертор ШИМ с двунаправленным потоком мощности. Правильное управление инвертором со стороны сети может приблизить входной ток к синусоиде и уменьшить загрязнение сети. В настоящее время такие продукты имеются как в преобразователях частоты низкого, так и среднего напряжения.
7. Методы управления для инверторов переменного напряжения с широтно-импульсной модуляцией могут включать управление широтно-импульсной модуляцией синусоидальной волны (ШИМ), управление ШИМ для устранения определенных гармонических порядков, управление отслеживанием тока и управление вектором пространства напряжения (управление отслеживанием магнитного потока).
8. Прогресс методов управления с регулировкой преобразования частоты для электродвигателей переменного тока в основном отражается в развитии систем векторного управления и прямого управления крутящим моментом без датчиков скорости, которые перешли от скалярного управления к векторному управлению с высокой динамической производительностью и прямому управлению крутящим моментом.
9. Развитие микропроцессоров сделало цифровое управление основным направлением развития современных контроллеров: системы управления движением – это быстрые системы, особенно высокопроизводительное управление двигателями переменного тока, требующее хранения различных данных и быстрой обработки больших объемов информации в реальном времени. В последние годы крупные зарубежные компании успешно вывели на рынок ядра на базе DSP (цифрового сигнального процессора), объединенные с периферийными функциональными схемами, необходимыми для управления двигателем, интегрированными в один кристалл, называемый однокристальным DSP-контроллером двигателя. Цена значительно снижена, объем уменьшен, структура компактна, использование удобно, а надежность повышена. По сравнению с обычными микроконтроллерами, DSP увеличил свою цифровую вычислительную мощность в 10-15 раз, что обеспечивает превосходные характеристики управления системой.
Цифровое управление упрощает аппаратное обеспечение, а гибкие алгоритмы управления обеспечивают высокую гибкость управления, позволяя реализовывать сложные законы управления и воплощать современную теорию управления в системах управления движением. Оно легко подключается к системам верхнего уровня для передачи данных, облегчает диагностику неисправностей, усиливает функции защиты и мониторинга, а также делает систему интеллектуальной (например, некоторые преобразователи частоты обладают функцией самонастройки).
10. Синхронные двигатели переменного тока стали новой звездой в области регулируемых трансмиссий переменного тока, особенно синхронные двигатели с постоянными магнитами. Двигатель имеет бесщёточную конструкцию, высокий коэффициент мощности и высокий КПД, а скорость ротора строго синхронизирована с частотой сети. Существует два основных типа систем управления частотой вращения синхронных двигателей: с внешним управлением частотой вращения и с автоматическим управлением частотой вращения. Принцип действия саморегулирующегося синхронного двигателя с переменной частотой вращения очень похож на принцип действия двигателя постоянного тока, заменяя механический коллектор двигателя постоянного тока силовым электронным преобразователем. При использовании преобразователя напряжения AC-DC-AC он называется «бесколлекторным двигателем постоянного тока» или «бесщёточным двигателем постоянного тока (BLDC)». Традиционная система управления частотой вращения синхронных машин с переменной частотой вращения оснащена датчиком положения ротора, и в настоящее время разрабатывается система без датчика положения ротора. Метод управления частотой вращения синхронных двигателей также может использовать векторное управление, которое проще, чем у асинхронных двигателей, с точки зрения векторного управления, ориентированного в соответствии с магнитным полем ротора.
Короче говоря, тенденция развития технологии преобразователей частоты направлена на интеллектуальность, простоту эксплуатации, надежную функциональность, безопасность и надежность, защиту окружающей среды, низкий уровень шума, низкую стоимость и миниатюризацию.