Sagedusmuundurite tõde: kuidas ära tunda töökindel seade ja millal tasub kahelda

Tööriistade puhul on asi lihtsam. Me kõik oleme näinud näpitsaid või kruvikeerajaid, mis on tehtud pehmest metallist – alguses justkui kõlbavad, aga ei kesta kaua. Ja siis on tööriistad kvaliteetterasest, mis peavad vastu aastaid. Vahe on selgelt tuntav.

Aga kuidas on lood sagedusmuunduritega? Milliste märkide järgi saab aru, kas tegemist on töökindla seadmega või sellisega, mille puhul tasub juba ette natuke kahelda?

Mida tähendab töökindlus sagedusmuunduri puhul?

Mille alusel üldse hinnata sagedusmuunduri töökindlust? Lihtsustatult saab selle taandada kahele peamisele asjale: vastupidavus ajale ja vastupidavus ekstreemsetele olukordadele.

Teisisõnu – kas seade peab vastu aastaid tavapärases töös ning kas ta elab üle ka need hetked, kui kõik ei lähe päris plaani järgi, näiteks lühiajalised ülekoormused või ootamatud töörežiimid.

Sageli öeldakse, et mis liigub, see kulub. Jõuelektroonika puhul justkui midagi ei liigugi – välja arvatud jahutusventilaator. Aga see ei tähenda, et kulumist ei toimuks. Sagedusmuunduris on mitu olulist komponenti, mille vananemine määrab väga otseselt kogu seadme eluea.

Mis siis tegelikult kulub?

Mälu ja elektroonika loogika
Mikroprotsessorite ja mälukiipide puhul on teatud tüüpi mäludel, näiteks välkmälul, piiratud arv kirjutamistsükleid. Tavaliselt ei ole see esimene asi, mis sagedusmuunduri rivist välja viib, kuid odavamates seadmetes võib sage parameetrite salvestamine või halb mäluhaldus aja jooksul siiski probleeme tekitada.

Kondensaatorid
Kondensaatorid on klassikalised kuluosad jõuelektroonikas. Eriti elektrolüütkondensaatorid vananevad aja ja temperatuuri mõjul ning ka laadimis- ja tühjenemistsüklite tõttu. Mida kõrgem on töötemperatuur, seda kiiremini nende parameetrid halvenevad. Seetõttu on kondensaatorite kvaliteet ja nende jahutus sagedusmuunduri töökindluse seisukohalt väga olulised.

IGBT-moodulid (isoleeritud väravaga bipolaartransistorid, inglise keeles Insulated Gate Bipolar Transistors)
Kõige olulisem osa sagedusmuunduris on IGBT-moodulid, mis lülitavad mootorivoolu. Iga ülekoormus koormab neid komponente täiendavalt. Üksik ülekoormus ei pruugi kohe probleemi tekitada, kuid korduvad ülekoormused põhjustavad aja jooksul pooljuhtide sisemist väsimist ja vähendavad seadme eluiga. Seetõttu mängib suurt rolli see, kui suure varuga on IGBT-d valitud ja kui hästi on sagedusmuundur ülekoormuste eest kaitstud.

Töökindlus enne ostu: mida saab ja mida ei saa hinnata

Praktikas ei hakka keegi enne sagedusmuunduri ostmist seadet laiali võtma, et uurida, millist mälukiipi kasutatakse, mis tootja kondensaatorid sees on või milline IGBT-moodul täpselt valitud on. Ja ausalt öeldes ei peakski.

Seega tekib loogiline küsimus: kuidas siis hinnata sagedusmuunduri töökindlust enne, kui seade on juba töös olnud?

Paraku tuleb siin kohe öelda, et mälukiipide ja kondensaatorite kvaliteeti on ilma seadme sisse vaatamata väga keeruline hinnata. Need jäävad enamasti tootja enda aususe ja inseneritöö kvaliteedi taha.

Küll aga on üks komponent, mille puhul saab töökindlust hinnata kaudsete, kuid üsna kindlate näitajate kaudu. Selleks on IGBT-moodulite valik. Just siin teevad tootjad sageli kas konservatiivseid või väga piiri peal olevaid otsuseid – ja need otsused peegelduvad otseselt sagedusmuunduri lubatud koormustes, varudes ja pikaajalises vastupidavuses.

Põhjus on lihtne: IGBT-moodulid on sagedusmuunduri ühed kallimad komponendid. Tootes hinna „optimeerimiseks“ tehakse sageli kompromisse just IGBT-de valikul – kasutatakse väiksema varuga, madalama voolutaluvuse või piiratumate töötingimustega lahendusi. Paberil võib seade endiselt vastata kõikidele nimiväärtustele, kuid tegelik töökindlus jääb väiksema varu tõttu nõrgemaks.

Õnneks on mitmeid märke, mille järgi saab seda kompromissi juba enne ostu ära tunda. Praktikas tulevad kõige selgemini esile kolm olulist näitajat.

Esiteks sagedusmuunduri jahutusmeetod. Kui IGBT-de varu on väike, peab tootja nende temperatuuri väga rangelt kontrolli all hoidma, mis seab piirangud jahutusele ja ümbritsevatele tingimustele.

Teiseks lubatud kaabli pikkus sagedusmuunduri ja mootori vahel. Pikad mootorikaablid koormavad IGBT-sid elektriliselt rohkem. Kui lubatud kaabli pikkus on lühike, viitab see sageli sellele, et jõuahela varu on piiratud.

Kolmandaks see, kas sagedusmuunduri väljundi katkestamine töö ajal on lubatud. Selline olukord tekitab IGBT-dele täiendava elektrilise koormuse. Kui tootja selle selgesõnaliselt keelab, on see sageli märk konservatiivse varu puudumisest jõuahelas.

Kuidas sagedusmuundur töötab – ja miks IGBT on seal võtmerollis?

Vaatame lühidalt, mis sagedusmuunduris tegelikult toimub.

Võrgu poolelt tulev vahelduvpinge alaldatakse esmalt dioodsilla abil ja salvestatakse kondensaatoritesse. Nii tekib sagedusmuunduri vahepingeahelas alalispinge, mis on kogu süsteemi energiaalus.

Edasi tuleb mängu sagedusmuunduri süda – protsessor ja IGBT-moodulid. Protsessori juhtimisel hakkavad IGBT-d alalispinget väga kiiresti sisse ja välja lülitama. Seda tehakse impulsslaiusmodulatsiooni ehk PWM-meetodi (inglise keeles Pulse Width Modulation) abil.

Tulemuseks ei ole ideaalne siinus, vaid siinuselaadne vahelduvpinge, mille amplituudi ja sagedust saab täpselt kontrollida. Just seda pinget kasutatakse mootori toitmiseks.

Lülitamise sagedust ja mustrit muutes saabki sagedusmuundur juhtida mootori pöörlemiskiirust ja momenti. Kõik see tähendab aga, et IGBT-moodulid peavad taluma suuri voole, pingeid ja väga kiiret lülitustempot – ning seetõttu on nende kvaliteet ja varu kogu sagedusmuunduri töökindluse seisukohalt määrava tähtsusega.

IGBT parameetrite sõltuvus temperatuurist – Mitsubishi CM35MXB2-24A näitel

Võtame nüüd ühe konkreetse ja reaalselt kasutusel oleva näite.
Mitsubishi Electric kasutab IGBT-moodulit CM35MXB2-24A muu hulgas FR-D740-120SC-EC sagedusmuunduris. Andmeleht: CM35MX-24A

Selle IGBT-mooduli andmelehte vaadates näeme, et inverteri osa nimivool on 35 A. Oluline on aga mõista, millistel tingimustel see number kehtib.

Andmelehes on enamik elektrilisi parameetreid antud ühendustemperatuuril (Tj) 25 °C.
Ühendustemperatuur tähendab IGBT kiibi enda temperatuuri, mitte ümbritsevat õhku ega isegi jahutusradiaatori temperatuuri. See on pooljuhi sisemine temperatuur, kuhu kogu soojus lõpuks koondub.

Sama andmeleht ütleb, et maksimaalne lubatud ühendustemperatuur on ligikaudu 150 °C.
See ei tähenda, et IGBT-d võib pidevalt kasutada 150 kraadi juures täisnimivoolul. Vastupidi – see on absoluutne piir, millest ülespoole minnes suureneb rikkeoht hüppeliselt.

Mida kõrgem on ühendustemperatuur, seda:

• suuremad on juhtivus- ja lülituskadud,
• väiksem on lubatud pidev vool,
• kiiremini toimub pooljuhi sisemine vananemine.

Seetõttu on IGBT tegelik lubatud töövool oluliselt väiksem, kui ühendustemperatuur läheneb maksimaalsele piirile. Nimivoolu 35 A saab kasutada vaid juhul, kui IGBT kiip suudetakse hoida oluliselt jahedamana – ligikaudu 25 °C lähedal, mis päriselus on harva realistlik.

Elektrikilbi sisetemperatuur on praktikas harva 25 °C. Tööstuskeskkonnas on 35–45 °C pigem tavaline ning kuumas kapis võib temperatuur tõusta veelgi kõrgemale. See tähendab, et ka IGBT ühendustemperatuur tõuseb ning nimivoolu tuleb vastavalt vähendada.

Just seetõttu kasutatakse CM35MXB2-24A moodulit FR-D740-120SC-EC sagedusmuunduris konservatiivselt:

• sagedusmuunduri nimivool on 12 A
• lubatud ümbritsev töötemperatuur on kuni +50 °C
• ning lühiajaline ülekoormus on kuni 200% 0,5 sekundi jooksul

See on hea näide teadlikust derating’ust. IGBT elektriline võimekus on valitud märgatava varuga, et:

• seade töötaks ka kõrgemal temperatuuril,
• taluks lühiajalisi ülekoormusi,
• ning säilitaks töökindluse aastateks, mitte ainult laboritingimustes.

Just see vahe IGBT teoreetilise nimivoolu ja sagedusmuunduri praktilise nimivoolu vahel eristabki töökindla sagedusmuunduri lahenduse sellisest, mis töötab küll „paberil“, kuid hakkab kuumas kapis või koormuse all kiiresti piirama või rikki minema.

Miks sagedusmuunduri jahutusmeetod on oluline

Sagedusmuunduri jahutusest rääkides jääb tihti mulje, et peaasi on see, et seadmes on ventilaator. Tegelikult on palju olulisem küsimus, mida see ventilaator jahutab ja kuidas soojus seadmest välja juhitakse.

Levinud on kaks põhimõttelist lahendust. Ühel juhul suunatakse õhuvool otse IGBT-mooduli või selle väikese jahutuspinna peale. Teisel juhul on IGBT kinnitatud suurele radiaatorile ning ventilaator jahutab eelkõige seda radiaatorit.

Esmapilgul võib tunduda, et otse IGBT-d jahutav lahendus on isegi parem – õhk liigub ju kohe kuuma koha juures. Lühiajaliselt see nii ongi. Selline lahendus reageerib kiiresti temperatuuri muutustele ja võimaldab ehitada kompaktse ning soodsama seadme. Samas on siin üks oluline nõrkus: jahutus sõltub väga otseselt ventilaatori tööst, õhuvoolust ja puhtusest. Kui ventilaator vananeb, õhukanalid tolmuvad või ümbritsev temperatuur tõuseb, võib IGBT temperatuur kiiresti kerkida.

Siin jõuame kõige olulisema erinevuseni. Väikese jahutuspinna soojusmahtuvus on väike. See tähendab, et iga koormuse muutus või ülekoormus kajastub peaaegu kohe IGBT ühendustemperatuuris. Temperatuur „hüppab“ kiiresti üles ja alla ning just need termilised kõikumised väsitavad pooljuhte kõige enam.

Teine lähenemine, kus IGBT on kinnitatud suurele radiaatorile, käitub hoopis teistmoodi. Suur radiaator tähendab suurt soojusmahtuvust, mis toimib omamoodi puhvrina. Lühiajalised ülekoormused ei tõsta kohe IGBT temperatuuri, sest soojus jaotub esmalt radiaatori massi. Temperatuur muutub aeglasemalt ja ühtlasemalt, isegi kui koormus ei ole ideaalne.

Praktikas tähendab see, et IGBT töötab madalama ja stabiilsema temperatuuriga. Ja nagu eelnevalt selgus, on temperatuur pooljuhtide eluea seisukohalt kriitiline. Mida suurem on soojusmahtuvus ja mida stabiilsem on temperatuur, seda pikem on IGBT eluiga ning seda paremini talub sagedusmuundur ülekoormusi.

Seetõttu ei ole suur radiaator lihtsalt konstruktsiooniline detail. See on selge märk sellest, et tootja on arvestanud reaalse töökeskkonnaga – kuuma elektrikilbi, ebaühtlase koormuse ja pika kasutuseaga. Just soojusmahtuvus on see võtmetegur, mis eristab töökindlat sagedusmuundurit piiri peal töötavast seadmest.

Kaabli pikkus ja väljundi katkestamine – märgid IGBT varust

Kui sagedusmuunduri andmelehte vaadata, siis seal on mitu parameetrit, mis esmapilgul tunduvad pigem paigaldusjuhistena kui töökindluse näitajatena. Tegelikult peegeldavad need väga otseselt seda, kui suure varuga on IGBT-d valitud ja kui hästi suudab seade ekstreemseid olukordi taluda.

Üks neist on lubatud kaabli pikkus sagedusmuunduri ja mootori vahel.

Pikk mootorikaabel ei ole sagedusmuunduri jaoks süütu asi. Kaabel käitub elektriliselt nagu induktiivsuse ja mahtuvuse kombinatsioon ning tekitab IGBT-dele lülitamisel täiendavaid pinge- ja voolupiike. Mida pikem kaabel, seda suuremad on need piigid. Iga selline impulss tähendab IGBT jaoks lisakoormust – nii elektriliselt kui termiliselt.

Kui sagedusmuundur lubab vaid väga lühikest mootorikaablit, on see sageli märk sellest, et IGBT töötab juba nimirežiimis üsna piiri peal. Pikem kaabel tähendaks suuremaid piike ja kõrgemat ühendustemperatuuri, mille jaoks enam varu ei ole.

Vastupidi, sagedusmuundurid, mis lubavad pikki mootorikaableid ka ilma lisafiltriteta, viitavad sellele, et IGBT-d ja jahutus on valitud konservatiivsemalt. Seadmel on nii elektriline kui ka termiline varu, et nende lisakoormustega toime tulla.

Teine väga kõnekas näitaja on see, kas sagedusmuunduri väljundit tohib töö ajal katkestada – näiteks kontaktori või lülitiga.

IGBT vaatenurgast on see üks ebameeldivamaid olukordi. Koormuse järsk kadumine või taastumine tekitab tugevaid pingeüleminekuid ja voolutippe. Kui sagedusmuundur ei ole selleks projekteeritud, võib selline sündmus IGBT-sid oluliselt koormata või isegi hetkega rikkuda.

Seepärast keelavad paljud sagedusmuundurid väljundi katkestamise töö ajal rangelt ära. See ei ole halb juhuslik piirang, vaid üsna selge märk sellest, et IGBT-dele ja jahutusele ei ole jäetud piisavat varu, et selliseid olukordi ohutult taluda.

Samas seadmed, mille puhul tootja lubab väljundi katkestamist ka töö ajal, on ehitatud eeldusel, et IGBT-d suudavad sellised elektrilised ja termilised löögid üle elada. See eeldab suuremat soojusmahtuvust, paremat jahutust ja tugevamat IGBT valikut.

Kui need kolm asja – jahutuslahendus, lubatud kaabli pikkus ja väljundi katkestamise lubatavus – panna kõrvuti, hakkab sagedusmuunduri tegelik iseloom üsna kiiresti välja joonistuma. Need ei ole lihtsalt mugavus- ega paigaldusparameetrid, vaid kaudsed, kuid väga usaldusväärsed töökindluse indikaatorid.

Kokkuvõtteks – millal sagedusmuundur näitab oma tõelist palet

Tänapäeval on sagedusmuundur paljude automaatsete protsesside lahutamatu osa. Ta juhib mootorit, hoiab protsessi kontrolli all ja töötab enamasti märkamatult taustal. Ideaaltingimustes on peaaegu kõik sagedusmuundurid „head“ – koormus on ühtlane, temperatuur mõistlik ja midagi ootamatut ei juhtu.

Aga päris elu ei ole ideaalne.

Mehaanika võib kinni kiiluda, konveierile võib kogemata liiga palju materjali sattuda, pump võib käivituda vastu suletud klappi või ventilaatorisse võib sattuda praht. Sellistes olukordades tõuseb mootori koormus hetkega ja koos sellega ka sagedusmuunduri väljundvool.

Siin tekibki määrav küsimus:
kas sagedusmuundur põleb maha või rakendab kaitse?
Ja isegi olulisem – mitu korda suudab ta selliseid ülekoormusšokke taluda, enne kui sisemised komponendid, eelkõige IGBT-d, väsivad ja üles ütlevad?

Just nendes hetkedes tuleb välja sagedusmuunduri tegelik töökindlus.

Kuigi IGBT-d, kondensaatorid ja mälukiibid on seadme sees peidus, jätavad tootjad oma valikutest siiski jälje andmelehte ja konstruktsiooni. Neid märke osates vaadata saab teha üsna häid järeldusi ka enne ostu.

Meie soovitus – olgu see siis subjektiivne või mitte – on lihtne:
Vali sagedusmuundur, millel on suur radiaator ja arvestatav soojusmahtuvus, kus ventilaator jahutab eelkõige radiaatorit, mitte ei puhu otse elektroonikasse.
Võrdle lubatud mootorikaabli pikkust, sest see näitab, kui suure elektrilise varuga on seade projekteeritud. Hea rusikareegel on, et väiksemate sagedusmuundurite puhul (kuni umbes 1,5 kW) võiks lubatud kaablipikkus olla suurusjärgus 200 meetrit, suuremate seadmete puhul 400–500 meetrit.
Kui andmelehes on lubatud kaablipikkuseks märgitud vaid umbes 100 meetrit, on see juba koht, kus tasub hetkeks peatuda ja küsida, kui suure varuga see seade tegelikult projekteeritud on.
Samuti tasub veenduda, et väljundahela katkestamine töö ajal (näiteks kontaktoriga) on tootja poolt lubatud – see on selge märk, et sagedusmuundur on mõeldud ka olukordadeks, kus kõik ei lähe päris plaani järgi.

Kokkuvõtte kokkuvõtlikult

Töökindla sagedusmuunduri tunnused on lihtsad: suur radiaator, pikk lubatud mootorikaabli pikkus ja tootja selge kinnitus, et väljundahela katkestamine töö ajal (nt. kontaktoriga) on lubatud ega kahjusta IGBT-mooduleid.

Tutvu meie töökindlate sagedusmuundurite valikuga: Sagedusmuundurid - Info ja müük | Electrobit OÜ