Ewolucja niskonapięciowych przetwornic częstotliwości

Delta Electronics

Rynek niskonapięciowych przetwornic częstotliwości przechodzi obecnie głęboką zmianę. Tradycyjnie, napędy były traktowane i sprzedawane jako samodzielny komponent, jednak obecne wymagania ze strony konstruktorów maszyn i użytkowników końcowych wymagały bardziej holistycznego spojrzenia na napędy jako części całego rozwiązania systemowego.

Mówiąc dokładniej, popyt na bardziej modułowe, kompaktowe maszyny zwiększył innowacyjność na rynku napędów, co doprowadziło do opracowania rozwiązań oszczędzających miejsce. To spostrzeżenie zbada kilka innowacji na rynku niskonapięciowych napędów prądu przemiennego, a mianowicie napędy wieloosiowe, zintegrowane napędy silnikowe i półprzewodniki o szerokim paśmie wzbronionym, a także ich potencjalny wpływ na rynek. 

Kompaktowe napędy wieloosiowe rewolucjonizują konstrukcję i elastyczność maszyn

Koncepcja wieloosiowości była historycznie cechą charakterystyczną serwonapędów i nie była powszechnie kojarzona z niskonapięciowymi napędami silnikowymi. Jednak niedawno wprowadzone na rynek oferty Delta Electronics i Inovance zmieniły ten stan rzeczy. Na targach SPS 2022 firma Inovance zaprezentowała kompaktowy napęd wieloosiowy MD-800, natomiast w sierpniu następnego roku Delta Electronics ogłosiła wprowadzenie na rynek MX300.

Inovance

Napędy te umożliwiają sterowanie wieloma silnikami przez jedną jednostkę napędową. Według Delta Electronics, pojedynczy moduł prostownika może obsługiwać do 6 modułów falownika i sterować maksymalnie 15 osiami. Stanowi to znaczną oszczędność miejsca w porównaniu z tradycyjnymi konfiguracjami z jednym napędem na jeden silnik. Delta Electronics i Inovance twierdzą, że wykorzystanie tych kompaktowych napędów wieloosiowych pozwala zaoszczędzić 50% miejsca w szafie, ułatwiając instalację. W rezultacie, ten typ produktu pozwala na znacznie wyższy poziom elastyczności w projektowaniu maszyn.

Podobny trend zaobserwowaliśmy w naszym inauguracyjnym badaniu dotyczącym napędów ultraniskonapięciowych (<60 V). Wcześniejszy nacisk na projektowanie maszyn pod kątem optymalnej wydajności w celu osiągnięcia wysokiej przepustowości przesunął się w kierunku projektowania maszyn elastycznych. Z naszych analiz wynika, że kompaktowy typ produktu wielonapędowego może stać się konkurentem dla napędów zdecentralizowanych i montowanych na silniku w zastosowaniach i procesach wymagających dodatkowej elastyczności.

Rozwój wysokosprawnych silników Trend integracji paliw

W tym samym duchu, aby zapewnić większą elastyczność maszyn, integracja napędów i silników jest od dawna dyskutowana na rynku niskonapięciowych przetwornic częstotliwości . Chociaż trend ten jest powszechny w niskich zakresach mocy z silnikami komutowanymi elektronicznie (EC) (nie wchodzi w zakres naszych obecnych badań), niektórzy gracze robią postępy w kierunku integracji silników i napędów o większej mocy.

Rockwell Automation i Infinitum ogłosiły niedawno utworzenie spółki joint venture, której celem jest opracowanie nowej klasy wysokowydajnych, zintegrowanych technologii napędów i silników niskonapięciowych. Ich współpraca, która łączy technologię napędową PowerFlex firmy Rockwell z ultrawydajnym systemem silników z rdzeniem powietrznym firmy Infinitum, ma na celu zbudowanie produktu, który oszczędza energię i obniża koszty dla klientów przemysłowych, jednocześnie pomagając im stać się bardziej zrównoważonymi. Oczekuje się, że zintegrowany układ napędowy będzie o 50% mniejszy od rozmiaru i wagi tradycyjnego układu silnikowego, co skutecznie zmniejszy powierzchnię zajmowaną przez napęd.

Historycznie rzecz biorąc, głównym wyzwaniem związanym z integracją silników i napędów w wyższych zakresach mocy było nadmierne wytwarzanie ciepła. Ostatnio jednak półprzewodniki o szerokim paśmie wzbronionym są wymieniane jako obiecujące rozwiązanie tego problemu.

Wyzwania i szanse związane z półprzewodnikami o szerokim paśmie wzbronionym

Charakteryzujące się dużą luką energetyczną między pasmami walencyjnymi i przewodzącymi, półprzewodniki o szerokim paśmie wzbronionym oferują kilka zalet w porównaniu z ich tradycyjnymi odpowiednikami. Zdolność tych półprzewodników do pracy w wyższych temperaturach, napięciach i częstotliwościach sprawia, że idealnie nadają się do zastosowań w energoelektronice, takich jak pojazdy elektryczne, systemy energii odnawialnej i urządzenia komunikacyjne o wysokiej częstotliwości.

Wraz z szybkim przyjęciem pojazdów elektrycznych, rosnącym zapotrzebowaniem na półprzewodniki o szerokim paśmie wzbronionym, dostępna jest znacznie większa podaż półprzewodników o szerokim paśmie wzbronionym niż kiedykolwiek wcześniej. Jednak pomimo rosnącej podaży, półprzewodniki o szerokim paśmie wzbronionym nadal nie są konkurencyjne cenowo w porównaniu z ich tradycyjnymi odpowiednikami. Tranzystory MOSFET z węglika krzemu mogą kosztować nawet 3 razy więcej niż standardowe tranzystory krzemowe. W rezultacie, implementacja półprzewodników o szerokim paśmie wzbronionym w napędach jest nadal rzadka.

Spodziewamy się jednak, że wraz ze wzrostem podaży ceny będą z czasem spadać, co sprawi, że półprzewodniki o szerokim paśmie wzbronionym staną się bardziej atrakcyjną perspektywą dla dostawców napędów. Co więcej, zaobserwowaliśmy, że dostawcy napędów zmierzają w kierunku własnej produkcji power-semi. Wraz z przejęciem firmy Semikron w 2022 roku, Danfoss stał się producentem półfabrykatów mocy i produkuje półfabrykaty na bazie SiC. Dodatkowo, według McKinsey and Company, Mitsubishi Electric produkuje obecnie półfabrykaty mocy SiC. Szacuje się, że ma 2% obecnego rynku SiC, chociaż cała jego podaż jest przeznaczona do użytku wewnętrznego. Jeśli ten rodzaj produkcji własnej będzie kontynuowany, prawdopodobnie zastosowanie półfabrykatów o szerokim paśmie wzbronionym będzie rosło szybciej na całym rynku.

W jakim kierunku podąża rynek napędów

Napędy wieloosiowe, zintegrowane napędy silnikowe i półprzewodniki o szerokim paśmie wzbronionym to trzy przykłady innowacyjnych rozwiązań, które zmieniają rynek. Rozwiązania te oferują znaczne korzyści w zakresie oszczędności miejsca, wyższego poziomu elastyczności w projektowaniu maszyn i lepszej efektywności energetycznej. Podczas gdy skalowalność półprzewodników o szerokim paśmie wzbronionym pozostaje wyzwaniem, długoterminowy trend wskazuje na zwiększone zastosowanie w napędach silnikowych jako środka ułatwiającego rozwój bardziej modułowych, kompaktowych maszyn.

Autor gościnny: Brianna Jackson, analityk ds. badań w Interact Analysis, bada kilka obszarów innowacji na rynku napędów, w tym napędy wieloosiowe, zintegrowane napędy silnikowe i półprzewodniki o szerokiej przerwie energetycznej.

Tagi artykułu

Zobacz również

Chcesz otrzymać nasze czasopismo?

Zamów prenumeratę