变频器：适用于广泛的应用领域
专业技术文章西伯麦亚SIEB & MEYER 的高速应用产品组合
变频器类型各有不同：除了用于移动式应用的标准版本和型号的变频器之外，用于固定式应用的高速变频器代表了一个非常特殊的细分市场，位于德国吕讷堡的西伯麦亚SIEB & MEYER公司的变频器产品涵盖了广泛的应用领域，可以提供各种型号和设计的产品来满足各种应用的要求。
一个型号可适用于所有应用场景？ - 此规则绝对不适用于变频器产品。根据维基百科的定义，变频器是“将电源所提供的交流电压，转变为不同的交流电压的电源转换器”。但是，在哪些应用场景中需要这个转换过程？变频器必须具备怎样的专业性能呢？西伯麦亚SIEB & MEYER AG首席技术官Torsten Blankenburg先生解释道：“金字塔底部是标准的 50 Hz 变频器，适用于控制标准电机的速度，例如传送带或电动门。它们可以通过低成本实现简单的速度控制。” 除了使过程更加灵活外，现今技术的重点主要是提高之前无控制系统的效率和节能。该领域制造商面临的主要挑战是全球价格压力。
标准式、移动式和固定式
技术上更复杂的是用于移动式应用的变频器 - 例如，针对车辆驱动领域，也包括用于燃料电池驱动的鼓风机。除了要达到高效率外，达到优秀的机械性能是变频器设计的主要重点。其他的设计指标，如变频器尺寸、重量和应对环境条件的稳健性，也是必须要在设计中被考量到的。此外，产品的开发和生产流程需要经过认证，并且必须符合特定的产品标准。
用于高速应用的变频器
“我们西伯麦亚专注于固定式应用的高速变频器，”Torsten Blankenburg先生介绍道，“我们变频器设计是针对于驱动速度高达 480,000 rpm 的电机。” 技术的重点是以低电机损耗操控特殊的电机，因为这些电机比标准电机对热量更敏感。确保高系统效率或高过程质量也很重要。虽然在高速变频器领域的基本目标相同，但不同变频器产品在细节上存在明显差异。
带有稳压中间电路和脉冲幅度调制 (PAM) 的变频器，例如西伯麦亚的FC2系列产品，能够以高达 480,000 rpm 的转速运行异步主轴。应用场景如电路板钻孔机中。一个变频器可以同时控制多个主轴 – 这意味着与单轴变频器相比，多主轴变频器可以显著节省成本。所有主轴都以相同的速度运行。 这些变频器的其他特点是电机绝缘上的低电压负载和使用 U/f 特性的简单参数化。
针对机床等设备的两电平转换器
另一组是独立版本的两级 PWM（脉冲宽度调制）变频器。西伯麦亚的SD2S和SD4S属于这一类。就其基本设计而言，此产品与标准50 Hz变频器大致相当：可对电源电压进行无源整流，并具有固定的直流中间电路或 B6 IGBT 输出级。然而，为了能够驱动高速电机，输出级需要更快的开关功率半导体——这可以实现高达 32 kHz 的 PWM 频率。此外，还需要更准确、更快速的电流测量以及更强大的处理器解决方案。 “在这个领域，产品的性能比价格更重要，”Torsten Blankenburg先生说道，“在控制技术方面，我们的变频器可驱动高达240,000 rpm转速的无传感器和配备传感器的异步和同步电机。”
这些电机驱动设备，如带一个或两个用于磨削和铣削加工主轴的机床。在此应用中，特别需要注意的是，产生的主轴加热温度要尽可能的低 - 因为此热量会显着影响球轴承的加工质量和使用寿命。此变频器也用于功率范围高达 30 kW 的涡轮压缩机。通常情况下，可操控无传感器同步电机的转速范围可达到180000rmp。通过使用这些高转速电机，可以省去变速箱，从而提高系统效率。对系统效能产生影响的其他重要因素，如变频器的高效率，低电机损耗或低电机发热。
用于多轴应用的紧凑型变频器
西伯麦亚产品组合中的 SD2变频器变体，用于多轴应用的两级PWM变频器。它们与上述转换器的不同之处在于，几个输出级由中央电源组供电。此处的目的是减少具有许多加工主轴的应用中的结构体积和布线工作。另一方面是能源效率的提高，因为在多轴应用中处理周期通常是异步的。一个主轴的制动能量可用于通过共享的直流中间电路加速另一个主轴。这些变频器的应用领域是，例如，钟表行业的旋转传送机或多轴内圆磨床。
三电平技术：针对特殊应用场景
西伯麦亚的SD2M和
变频器产品系列，拥有最先进的三电平PWM变频技术。“三电平输出级拓扑在成本和结构方面与两电平转换器有很大不同，因为需要 12 个功率半导体而不是 6 个，”Torsten Blankenburg先生解释道，“因此，三电平技术的技术强项能在特殊应用中充分发挥其优势。” 其优势令人印象深刻：与两电平系统相比，相同开关频率下的 PWM 损耗仅为 25%。这可使电机损耗显着降低，并可省去昂贵的电机扼流圈/正弦滤波器。由于PWM开关幅度减小了 50%，电机绕组上的绝缘应力也可以降低。“例如，我们的三电平SD2M/SD4M变频器可以充分发挥其在涡轮鼓风机和压缩机领域的优势，”Torsten Blankenburg补充道，“一方面，低电机发热与高系统效率相结合优势明显。 后者可在24/7 满负荷运行中，显着节省能源并缩短投资回报时间。 此外，节省了电机扼流圈或正弦滤波器，使整个系统的结构体积更紧凑，制造成本更低。”
外接电源：低压转换器
放在最后介绍，但同样重要的是：低压转换器，例如西伯麦亚的SD2B plus系列，通常由稳压的外部电源组提供 24..80 VDC 的直流电压。背景：特别是几百瓦功率范围内的加工主轴具有绝缘电阻，不允许在电源电压水平下使用两电平 PWM 变频器运行。低直流电源电压还可以在变频器中使用绝缘电压较低的组件，从而在相同的输出电流下实现较小的结构体积。SD2B plus特别在低压主轴领域证明了自己，例如用于 CAD/CAM 牙科铣床或制表行业精细加工的主轴。
这些示例表明：在变频器方面，没有单一的解决方案可以实现所有目标。“在多年的密集开发工作中，我们建立了一个产品组合，可用于满足高速领域几乎所有应用的要求，”Torsten Blankenburg先生总结道，“当然，我们很乐意向客户建议合适的转换器类型。” 如果客户有特别的技术需求，西伯麦亚也可以提供全面支持：因为我司特别关注客户定制解决方案，以及个性化的技术需求。