Что такое силовой модуль для двигателя

Компактный интеллектуальный силовой модуль для частотно-регулируемых приводов малой мощности

Частотно-регулируемые приводы малой мощности широко используются, например, в бытовых и промышленных кондиционерах. Для ускорения вывода этих изделий на рынок, уменьшения габаритов и упрощения теплоотвода Infineon предлагает новый силовой модуль, объединяющий в одном корпусе повышающий корректор коэффициента мощности (ККМ), инвертор и драйвер затворов.

Интеллектуальный силовой модуль IPM (Intelligent Power Module) объединяет силовые каскады корректора коэффициента мощности (ККМ) и инвертора. Модуль IPM оптимизирован для работы с частотно-регулируемыми приводами малой мощности. В корпусе с двурядным расположением выводов, выполненном по технологии трансферного прессования, размещены трехфазный инвертор и одноканальный повышающий ККМ, а также драйвер затворов, изготовленный по технологии «кремний на изоляторе» (SOI). Применение модуля IPM позволяет существенно снизить габаритные размеры и стоимость системы управления электродвигателем.

Модульный двигатель. Устройство модульных двигателей

Пожалуй, сегодня всем ясно, чтомодульные двигатели обеспечивают высокий КПД. А сколько таких цилиндров — три, четыре, шесть — все равно…

Можно заказать кузов любого цвета, если он черный. Вот промышленный подход времен Ford Т. А сто лет спустя с той же меркой подходят к силовым агрегатам: двигатель может быть любым, но обязательно с удельным объемом 500 см3 на цилиндр. Для целых семейств новых моторов этот объем выбирают практически все ведущие автопроизводители, оправдываясь не только соображениями технического и производственного характера, но и стремлением к повышению эффективности производства и экономичности двигателей.

На модульные двигатели ставку делают Volvo, Jaguar -Land Rover, BMW. Инженеры Volvo продвинулись на этом пути дальше других: у бензиновых и дизельных двигателей нового семейства Drive-E (все они четырехцилиндровые, объемом 2 л) множество общих деталей, включая блок цилиндров. Одно семейство закрывает все потребности модельного ряда марки, оно заменило старые пяти-, шести- и восьмицилиндровые агрегаты.

Англичане так далеко пока не пошли, от V6 и V8 не отказались. Однако новые двухлитровые двигатели семейства Ingenium станут ставиться не только на Jaguar ХЕ, но и на другие модели.

Правда, двухлитровый четырехцилиндровый мотор не всегда идеальное решение. Когда гамма слишком широка, одним объемом, само собой, не обойтись, и не только потому, что это противопоказано с точки зрения эффективности. Но при этом от «идеального» удельного объема — поллитра на цилиндр — никто и не подумает отказываться.

Базовый модуль (те самые 500 см3) можно взять за основу и сделать на его базе три конструкции: трех-, четырех-и шестицилиндровую, рабочим объемом, соответственно, 1500, 2000 и 3000 см3. При этом бензиновую и дизельную версии независимо от системы питания и рабочего объема легко будет собирать на одной линии.

1. ВСЕ РАДИ СЕМЬИ!
2. Все ради кпд
3. Бензин и дизель
4. 2000 см3 дизель

ВСЕ РАДИ СЕМЬИ!

Постепенно придется отказаться от сегодняшнего разнообразия. В частности, сказать «прощай» бензиновым атмосферникам объемом 1100, 1400, 1600, 1800, 2000 и 2200 см3. Сегодняшний императив — упрощение производственной гаммы. Это подразумевает и сокращение числа вариантов рабочего объема, что, правда, ни в коей мере не ограничит выбор в части желаемых значений мощности.

Здесь заслуживает внимания подход Volvo: все двигатели четырехцилиндровые, двухлитровые, но за счет применения той или иной системы наддува модификаций по мощности вполне достаточно. Так, если ставится турбина, мощность доводится до 250 л.с, турбина в паре с нагнетателем обеспечивают уже больше 300 л.с, а две турбины плюс нагнетатель с электроприводом доводят мощность агрегата до Д50 «лошадок».

Такой подход в первую очередь интересен производителям со средними объемами. Колоссы же — GM, Toyota, Volkswagen — ежегодно производят десятки миллионов силовых агрегатов. Они обойдутся менее радикальными решениями.

Все ради кпд

Возможность сборки разных двигателей на одной производственной линии несет в себе множество преимуществ. В первую очередь, постоянные затраты сокращаются, а производство становится более гибким. Это, в свою очередь, позволяет подстраиваться к часто непредсказуемым колебаниям спроса. Какие автомобили продаются лучше -дизельные или бензиновые? Для завода, принявшего новую идеологию, ответ не будет иметь значения. Фактор важный, потому что при загрузке ниже 70% любое моторное производство приносит лишь убытки.

Цилиндры объемом Д50-500 см3 обеспечивают двигателю максимально высокий термодинамический КПД. Именно такие цилиндры позволяли в свое время выпускать атмосферные бензиновые моторы, обеспечивавшие наилучший баланс расхода и характеристик, вроде 1,8-литровых агрегатов Alfa Romeo 70-80-х годов прошлого века. Еще острее проблема встала с введением ограничений по С02: в будущем году средний выброс всех моделей одного производителя будет ограничен 130 г на километр, а в 2021 году — до 95 г/км.

Одна из причин, почему цилиндры объемом порядка 500 см3 считаются идеальными — удачное соотношение площади стенок камеры сгорания и ее объема. С увеличением этого соотношения страдает термодинамика, поскольку тепло, образующееся при сжигании такого дорогого сегодня бензина, бесполезно тратится на нагрев стенок камеры. Обычно это происходит в двигателях с цилиндрами меньшего объема, в том числе очень ярко проявляется в литровых трехцилиндровых моторах, где на каждый цилиндр приходится по 330 см3.

Другой пример: сегодня автопроизводители отказываются от шестицилиндровых моторов объемом 2,0 л, и снова по той же причине — низкий КПД. Однако переход от трех цилиндров к двум (900-1000 см3) ведет к тому, что двигатель начинает работать грубо и в конструкции приходится использовать 6а-лансирный вал и двойной маховик.

Ну а в плане механического КПД полулитровые цилиндры позволяют ограничить потери как на трение, так и насосные потери на впуске и выпуске.

2000 см3 бензин

Выбранные Volvo для бензиновых двигателей семейства Drive-E обозначения Т5 и T6 могут ввести в заблуждение: независимо от цифры цилиндров все равно четыре. Мощный алюминиевый блок достался им от дизелей того же семейства Drive-E. Такое решение позволяет, не думая о проблемах с прочностью, снять с двухлитрового мотора небывалую мощность: 450 «лошадок». Двигатели, уже запущенные в серию, развивают, соответственно, 2Д5 л.с. (модификация с турбиной) и 306 л.с. (турбина и нагнетатель).

Бензин и дизель

Группа Jaguar — Land Rover работает над новым семейством двигателей Ingenium. Переход на модульные двигатели будет осуществляться постепенно: в течение ближайших двух лет ежеквартально будут появляться новые модификации. С конвейера завода в Вест-Мидландз, где развертывается производство, новый двигатель будет сходить каждые 36 секунд. Бензиновые и дизельные версии, все объемом 2000 см3, имеют очень много общего, и в первую очередь алюминиевый блок с тонкостенными чугунными стаканами. Бензиновые моторы будут оснащаться системой непосредственного впрыска и двумя противовращающимися балансирными валами.

Модификаций будет две: одна — 200 л.с. и 280 Нм, другая — 240 л.с. и 340 Нм. Дизели оборудованы вариаторами фаз газораспределения (со стороны выпускного коллектора), задача которых — обеспечить быстрый прогрев катализатора SCR. Дизельных версий тоже будет две — 163 л.с. и 380 Нм или 180 л.с. и 430 Нм.

2000 см3 дизель

Семейство разработанных в Швеции двигателей Drive-E включает несколько четырехцилиндровых дизелей объемом 2,0 л. Они пришли на смену пятицилиндровым 2,4-литровым агрегатам. По характеристикам новые двигатели ближе к «шестерке», но их масса и габариты меньше, плюс они выбрасывают в атмосферу меньше С02. Сегодня дизель производится в двух модификациях: с одной турбиной изменяемой геометрии (180 л.с.) и с двумя турбинами (225 л.с).

Совместно со специалистами своего поставщика -компании Denso — инженеры Volvo разработали систему впрыска Common Rail i-Art: она обеспечивает давление 2500 бар, причем каждая форсунка оборудована датчиком, передающим информацию о фактическом давлении впрыска.

Изменение №2

Вторая ревизия конструкции была так же оптимизирована по стоимости компонентов. Одним из ключевых компонентов, который определяет характеристики модуля является драйвер для силовых ключей — 1EDC60I12AHXUMA1. Это топовый драйвер от Infineon, но он оказался несколько избыточным, вернее в данной концепции не смог себя реализовать.

Да, у него большой ток 6.8А на открытие и 10А на закрытии, это позволяет коммутировать достаточно большой ток на высокой частоте. В теории круто, но на практике я уперся в ограничение по частоте, вызванное паразитными параметрами цепей и проводов, которые подключаются к модулю. Практический потолок находится где-то в районе 250-300 кГц, а самый «популярный» диапазон рабочих частот примерно 60. 120 кГц, поэтому было решено поставить драйвер из той же линейки, но с меньшим током открытия и при этом более дешевый и доступный — 1EDC40I12AHXUMA1. Отличается он в общем-то только меньшим током, на практике были опробованы buck-преобразователь и полумост с рабочей частотой до 250 кГц и данного драйвера оказалось достаточно для получения оптимальных потерь, которые составили примерно 15. 20% от статических на канале. При этом данная замена позволила уменьшить стоимость на 6$ только на одной позиции! Кстати, драйвер этот есть в ДКО Электронщик по весьма неплохой цене, правда 2 недели назад распродавали 200 штук по 121 руб, но разгребли их быстро, я сам от жадности хапнул 50 штук в запас.

Вы разумеется можете оставить и старый драйвер, но в РФ он стоит в 2 раза дороже, правда позволит уменьшить суммарные потери на транзисторах примерно на 5..10%. Либо на макетах использовать 1EDC40I12AH, а в продакшен ставить старшего брата 1EDC60I12AH, ибо вся линейка данных драйверов является pin-to-pin совместимой.

ООО «Электротехнические системы 1»

Общие сведения

Модули регулирования MR10ME, MR16ME и MR25M

C 1999 г. ООО «Электротехнические системы 1» производит и поставляет регулируемые электроприводы (модули регулирования серии MR) для приводов подачи станков с ЧПУ и других механизмов.

Модули регулирования серии MR стандартно комплектуются вентильными (синхронными) электродвигателями типа ДВУ5М215, образуя комплектный электропривод подачи ЭВ-3С.

Модули имеют следующие особенности:

• высокая плавность вращения больших на малых оборотах за счет оригинальных алгоритмов регуляторов модулей и оптимизированной магнитной цепи двигателей;
• высокая динамика переходных процессов, за счёт высокой перегрузочной способности;
• низкий уровень вибраций и шума;
• минимум техобслуживания и простота ввода в эксплуатацию.

Кроме этого модули регулирования MR отличает высокая универсальность, т.е. возможность работы с двигателями различных типов и производителей.

Модули регулирования имеют моноблочную конструкцию и требуют подведения только силового питания 3х380В 50Гц и 24В постоянного тока. Подключение сигнальных кабелей на передней панели осуществляется для двигателя -через стандартный 15-ти контактный разъем DSUB, для ЧПУ- через стандартные блок-контакты. Для больших перемещаемых инерционных масс предусмотрено подключение внешнего тормозного резистора.

Технические характеристики

Работа модулей MR c различными типами двигателей

Наша организация имеет большой опыт поставки модулей MR для управления различными типами синхронных двигателей и двигателей постоянного тока, как отечественного, так и импортного производства.

Не редко на производственных предприятиях складывается ситуация, когда на станке или другом механизме, укомплектованным регулируемыми электроприводами, выходят из строя выработавший срок службы управляющий электронный блок, а электродвигатель всё ещё находятся в отличном рабочем состоянии и не требует замены.

При этом существует несколько основных решений, а именно:

• замена привода оси целиком на новый привод того же типа или новый другого типа;
• замена только управляющего блока на такой же новый;
• ремонт управляющего блока.

В первом случае решение будет достаточно дорогим и экономически не всегда целесообразным.

Во втором случае приобретение блока того же типа, как правило, уже снятого с серийного производства, либо очень дорого, либо невозможно по причине его отсутствия у производителя.

В третьем случае ремонт блока, отработавшего 10-15 лет, часто затруднителен и восстанавливает его работоспособность на относительно короткое время до выхода из строя очередного, отработавшего свой ресурс, элемента или узла.

Эти же вопросы возникают при полной или частичной модернизации станков.

Нами предлагается решение этой проблемы за счет применения модулей регулирования MR взамен вышедших из строя приводов.

В таблице ниже приведены некоторые наиболее распространенные типы электродвигателей постоянного и переменного тока (синхронные), которые успешно работают с модулями регулирования MR. В таблице также дана рекомендуемая привязка типоразмера модуля MR к типу двигателя.

Общая схема подключения двигателя постоянного тока с постоянными магнитами к модулю MR

Общая схема подключения двигателя постоянного тока с постоянными магнитами к модулю MR

Схема подключения серводвигателей SIEMENS серии 1FT5 к модулю MR

Схема подключения серводвигателей SIEMENS серии 1FT5 к модулю MR

Схема подключения двигателя типа ПБСТ63 11 кВт к модулю MR

Схема подключения двигателя типа ПБСТ63 11 кВт к модулю MR

В аренду или в собственность?

Если генераторная установка нужна на непродолжительное время, практичнее взять ее в аренду, а не приобретать в собственность, да и подключение объекта к электросети обойдется недешево. Однако специалисты предостерегают: рекомендуется составить точный график использования генераторов и брать только тогда, когда они необходимы, чтобы не переплачивать за аренду. Также следует просчитать, что выгоднее – арендовать один большой генератор или несколько малых установок: тянуть от одного генератора кабели через весь участок, что может быть небезопасным, или поставить несколько генераторов поменьше возле энергопотребляющего оборудования. Еще одна причина, по которой генераторные установки часто берут в аренду, а не покупают: чтобы использовать оборудование, наиболее подходящее по характеристикам для данного строительного объекта.

Характеристика

Перегрузочная способность

Нагрузочный цикл с преднагрузкой

Нагрузочный цикл без преднагрузки

S6 нагрузочный цикл с преднагрузкой при длительности цикла 600 с

S6 нагрузочный цикл с преднагрузкой при длительности цикла 60 с

Нагрузочный цикл с 60 с перегрузкой при длительности цикла 300 с

Нагрузочный цикл с 30 с перегрузкой при длительности цикла 300 с

Снижение характеристик

Выходной ток в зависимости от частоты модуляции

Выходной ток в зависимости от окружающей температуры

Выходной ток в зависимости от высоты установки

Снижение напряжения в зависимости от высоты установки

2. Модель NFINITY (Liebert) — пример построения многомодульного ИБП

Источники бесперебойного питания Nfinity, обладая свойством избыточности, имеют мощность от 4 кВА до 16 кВА с параллельным резервированием N+x для обеспечения надежной защиты нагрузки по питанию. При этом ИБП обладает возможностью расширения времени резерва за счет подключения дополнительных внешних батарей до 2,5 часов при нагрузке 16 кВА и до 10 часов при нагрузке 4 кВА.

Модульный принцип построения ИБП и возможность масштабирования позволяет выбрать систему, которая подходит для современных потребностей и имеет возможность расширения в соответствии с требованиями на будущее — заявляет производитель Liebert.

Конструкция ИБП

ИБП выполняется в двух конструктивных вариантах : с 8 или 12 секциями для установки рабочих модулей. Габариты конструктивов составляют: 508x711x1016 мм для 8-секционного варианта и 508x711x1346 мм для 12- секционного варианта ИБП. В верхней передней части корпуса размещена съемная панель индикации и управления ИБП. В нижней части корпуса находится узел ByPass и разъемы подключения сети и нагрузки. В верхних 4 (6) отсеках при 8 (12) секционном корпусе могут размещаться силовые модули питания. Во всех свободных отсеках (в том числе и верхних) могут размещаться батарейные модули.

Структурная схема ИБП

В состав ИБП входят следующие модули и узлы:

• силовые модули по 4 кВА до 4-х (6-ти) штук,
• батарейные модули 12Вх10= 120В, 7,2 Ач,
• модули системного управления — 2 штуки,
• плата дисплея,
• плата входного фильтра,
• плата автоматического и ручного ByPass,
• плата внутреннего интерфейса,
• выходной трансформатор гальванической развязки нагрузки с сетью (опционально).

Структурная схема ИБП приведена на рис.3. Модули, узлы и платы ИБП связаны шинами входного напряжения, выходного напряжения, постоянного тока и внутреннего интерфейса управления. ПФ — плата фильтров

Рис. 3. Структурная схема многомодульного ИБП
ПБ — плата ByPass, СМ — силовой модуль, БМ — батарейный модуль,
МСУ — модуль системного управления, ПВИ — плата внутреннего интерфейса
ПД — плата дисплея

Режимы работы модулей ИБП

1. Режим двойного преобразования.

Силовые модули обеспечивают регенерацию синусоидального выходного напряжения при потреблении из сети близкого к синусоидальному тока за счет корректора коэффициента мощности силового модуля. Батарейные модули в этом режиме заряжаются зарядными устройствами, расположенными в каждом силовом модуле.

2. Автономный режим.

При отсутствии сети или недопустимом отклонении входного напряжения нагрузка обеспечивается энергией от батарейных модулей через инверторы силовых модулей.

3. Режим ByPass.

При этом режиме обеспечивается альтернативный путь питания нагрузки напрямую от сети:

4. Автозапуск.

После разряда батарейных модулей, автоматическом отключении нагрузки и при восстановлении сети происходит автоматический повторный старт ИБП и подключение нагрузки. При этом пользователь может устанавливать допустимый уровень разряда батарейных модулей и время выдержки перезапуска системы при появлении сетевого напряжения.

5. Зарядный режим.

При отключенной нагрузке и наличии сети система автоматически осуществляет заряд батарейных модулей.

Энергоэффективность SINAMICS G120

Функциональность преобразователя также содержит много возможностей для создания энергоэффективных решений. Например, используя PROFINET через профиль PROFIenergy, можно получать информацию об энергопотреблении и при необходимости отключать неиспользуемые или второстепенные части производственных установок при их простое или для сглаживания пиков потребления электрической энергии. Таким образом, децентрализованные узлы переводятся в самое эффективное (по потребляемой энергии) состояние, а также потребители электроэнергии становятся доступны для анализа энергопотребления. Только за счет этих мер можно обеспечить экономию энергии до 30%.
Можно выделить несколько интересных режимов энергоэффективной работы SINAMICS G120.

Рекуперация и передача энергии по контуру постоянного тока

При использовании рекуперации энергии нет необходимости в использовании тормозных резисторов, практически вся энергия торможения возвращается обратно в сеть. Также на преобразователях частоты SINAMICS есть возможность передачи энергии торможения через контур постоянного тока от одного преобразователя частоты на другой, что, например, дает огромный экономический эффект на перегружающих конвейерах при опускании грузов или на системах вентиляторов. Потребление энергии из сети при использовании этих функций значительно сокращается (и в первом, и во втором случае возможна экономия до 80%).

ECO-режим

Благодаря уменьшению потерь в двигателях в режиме U/f, за счет автоматической адаптации магнитного потока (потокообразующего тока при частичной нагрузке) в данном режиме возможна экономия до 5% электроэнергии. Активация происходит в двух случаях: при изменениях заданного значения или при выходе напряжения промежуточного контура за границы номинального диапазона.

Спящий режим (гибернация)

На холостом ходу система привода полностью отключается, то есть переходит в спящий режим. Режим применим для систем ОВиК, а именно — для насосов, вентиляторов и компрессоров. Система обладает пониженным энергопотреблением. Благодаря использованию спящего режима происходит уменьшение износа и увеличение срока службы механических компонентов. Экономия достигает 15%.

Каскадное управление

В зависимости от расхода, ПЧ, управляющий двигателем основного насосного агрегата, может производить пуск/останов дополнительных насосных агрегатов. Система более эффективна, если для запуска дополнительных насосов использовать устройства плавного пуска. Помимо экономии электроэнергии до 40%, данный тип управления позволяет сократить затраты на решение и повысить надежность за счет дублирования.

Режим байпаса

Когда электродвигатель работает в номинальном диапазоне частоты вращения, часто возникают ненужные потери в ПЧ. Решением является переключение двигателя на питание от сети в момент, когда достигнута номинальная частота вращения. Экономия достигает 15%, плюс к этому при ошибке ПЧ двигатель может быть переведен и в аварийный режим.