Elektrické pohony a výkonová elektronika

Transkript

1 Fakulta výrobních technologií a managementu Univerzity J. E. Purkyně v Ústí nad Labem Na Okraji 1001 Tel.: Ústí nad Labem Fax: Internet: kontakt@fvtm.ujep.cz Elektrické pohony a výkonová elektronika Ing. Pavel Kobrle Studijní text určený pro prezenční a kombinované studium. Studijní program: Studijní obor: N65 Elektrotechnika, energetika a management Elektroenergetika

2 Obsah: 1. Sylabus.... Mechanika pohonu, pohybová rovnice, přepočet M a J Momentové charakteristiky pracovních strojů Momentové charakteristiky a provozní vlastnosti asynchronních a synchronních motorů Momentové charakteristiky a provozní vlastnosti stejnosměrných motorů Dimenzování a jištění elektromotorů Elektronické součástky používané v měničích Neřízené a řízené usměrňovače Pulsní měniče Přímé frekvenční měniče a podsynchronní kaskády Nepřímé frekvenční měniče blokové schéma, elektromagnetická kompatibilita Nepřímé frekvenční měniče výkonové obvody a pulsně šířková modulace Nepřímé frekvenční měniče skalární řízení Nepřímé frekvenční měniče další možnosti řízení Elektrické pohony a výkonová elektronika 1

3 1. Sylabus Charakteristika a cíle: V předmětu se studenti seznámí s mechanikou elektrických pohonů a reţimy jejich práce. Poznají statické charakteristiky pohonů i jejich dynamiku, dimenzování a jištění. Chápou pojem a prostředky elektromagnetické kompatibility. Dále je předmět zaměřen na elektronické součástky pro výkonovou elektroniku a principy a zapojení jednotlivých druhů měničů neřízených a řízených usměrňovačů, pulsních, střídavých a zejména frekvenčních měničů. Součástí předmětu jsou praktická měření na elektrických pohonech a měničích. Výstupy a kompetence: Student zná statické a dynamické reţimy práce elektrických pohonů, nakreslí statické charakteristiky elektromotorů a pracovních strojů; popíše druhy a principy elektronických součástek pro měniče a dovede dimenzovat a jistit el. pohon a měnič; zná principy a zapojení silových obvodů statických měničů, obzvláště nepřímých frekvenčních měničů; dokáţe proměřit elektrický pohon, nastavit a řídit frekvenční měniče v praxi. Doporučená dotace: /1; zakončení: zkouška Obsah předmětu: 1. Mechanika pohonu, pohybová rovnice, přepočet M a J. Momentové charakteristiky pracovních strojů 3. Momentové charakteristiky a provozní vlastnosti asynchronních a synchronních motorů 4. Momentové charakteristiky a provozní vlastnosti stejnosměrných motorů 5. Dimenzování a jištění elektrických pohonů 6. Elektronické součástky ve výkonové elektronice 7. Neřízené a řízené usměrňovače 8. Pulsní měniče 9. Přímé frekvenční měniče a podsynchronní kaskády 10. Nepřímé frekvenční měniče blokové schéma, elektromagnetická kompatibilita 11. Nepřímé frekvenční měniče výkonové obvody a pulsně šířková modulace 1. Nepřímé frekvenční měniče skalární řízení 13. Nepřímé frekvenční měniče další moţnosti řízení Cvičení: 1. Mechanika pohonu. Dimenzování a jištění el. pohonů 3. Měření zatěţovacích a momentových charakteristik elektromotorů 4. Měření na řízených usměrňovačích 5. Měření na frekvenčních měničích 6. Řízení frekvenčních měničů Literatura: Čermák, T.: Elektrické pohony. Skriptum VŠB Ostrava, 198 Javůrek, J.: Regulace moderních elektrických pohonů, Grada Publishing a.s., 003 Roubíček, O.: Elektrické motory a pohony, BEN technická literatura, 004 Pavelka, J., Čeřovský, Z., Lettl, J.: Výkonová elektronika, skriptum ČVUT, 007 Elektrické pohony a výkonová elektronika

4 . Mechanika pohonu, pohybová rovnice, přepočet M a J.1 Cíl Znát sloţení pohonu, jeho obecné schéma a součásti. Znát pohybovou rovnici el. pohonu, význam jednotlivých veličin a pracovní stavy. Naučit se řešit problematiku přepočtu M a J u pohonů s převody.. Klíčová slova Elektrický pohon, měnič, motor, pracovní stroj, moment hnací, zátěţný, dynamický, moment setrvačnosti..3 Obsah.3.1 Vymezení pojmu Elektrický pohon = měnič, motor, řídící a regulační část..3. Obecné schéma pohonu obr Nejdůleţitější částí pohonu je měnič, který přizpůsobuje elektrické parametry zdroje pro elektromotor. obr..3.. Motor vytváří hnací moment M h, pracovní stroj (např. výtah, čerpadlo ) zátěţný moment M p. Při dynamických změnách (zrychlování, zpomalování) se projevuje setrvačnost otáčejících se hmot prostřednictvím dynamického momentu M d..3.3 Pohybová rovnice d má tvar M h M p M d J. dt M h - hnací moment M p - zátěţný moment J [kg.m ] - moment setrvačnosti; charakterizuje setrvačnost těles při otáčivém pohybu, podobně jako hmotnost m při pohybu přímočarém. J závisí na hmotnosti tělesa, ose otáčení a rozloţení hmotnosti vzhledem k této ose. Pro tvary těles běţné v pohonech, tedy válcovité, lze J spočítat takto: Tenký dutý válec: J = mr Plný válec: J = ½.mr Dutý tlustostěnný válec: J = ½.m(r 1 + r ) Elektrické pohony a výkonová elektronika 3

5 V pohybové rovnici mohou nastat tři případy: 1. Jsou-li hnací moment M h a zátěţný moment M p stejné, je dynamický moment M d nulový, je proto nulová změna úhlové rychlosti d a pohon se točí ustálenou rychlostí.. Je-li M h > M p, je M d > 0, tedy d> 0 a pohon zrychluje. 3. Je-li M h < M p, je M d < 0, tedy d 0 a pohon zpomaluje (či brzdí). Mezi přímočarým a otáčivým pohybem existuje analogie veličin i základních vztahů..3.4 Přepočet M a J na jednu osu U pohonů s převody neplatí přímo pohybová rovnice. Převod můţe být (za předpokladu rotačního motoru) z pohybu otáčivého na otáčivý nebo z přímočarého na otáčivý. Provádí se přepočet veličin M a J na jednu osu, obvykle osu motoru. Přepočet M z otáčivého pohybu na otáčivý (obr ) Skutečný moment M p, který má pracovní stroj na své ose při rychlosti n, budeme přepočítávat na moment M p, kterým by působil na ose motoru při rychlosti n 1. Vyjdeme z rovnosti výkonů pracovního stroje před přepočtem a po něm. Přepočtem se výkon nesmí změnit. P P M p M p 1 a také M pn M p n1 n M p M p n1 Stačí tedy původní zátěţný moment vydělit převodovým poměrem převodovky i = n 1 /n. Při zahrnutí účinnosti převodovky do přepočtu výsledek ještě vydělíme touto účinností. n 1 M p M p n 1 př Přepočet M z přímočarého pohybu na otáčivý (obr..3.4.) Pracovní stroj působí silou F a pohybuje se rychlostí v. My budeme počítat moment M p, kterým by působil na ose motoru při rychlosti n 1. Na obrázku je příklad zdvihací stroj s přímočarým pohybem pracovního stroje břemene. Elektrické pohony a výkonová elektronika 4

6 Vyjdeme opět z rovnosti výkonů pracovního stroje před přepočtem a po něm. Přepočtem se výkon nesmí změnit. P P Fv M p 1 v M p F 1 S uvaţováním účinnosti převodovky v 1 M p F. 1 př Přepočet J z otáčivého pohybu na otáčivý (obr ) Skutečný moment setrvačnosti J, který má pracovní stroj na své ose při rychlosti n, budeme přepočítávat na moment J, kterým by se jevil na ose motoru při rychlosti n 1. Vyjdeme z rovnosti kinetické energie pracovního stroje před přepočtem a po něm. Přepočtem se kinetická energie nesmí změnit. W W k 1 J k 1 J 1 n J J n1 Stačí tedy původní moment setrvačnosti vydělit kvadrátem převodového poměru převodovky. Účinnost převodovky na přepočet nemá vliv. Přepočet J z přímočarého pohybu na otáčivý (obr ) Pracovní stroj má hmotnost m a pohybuje se rychlostí v. Budeme počítat moment J, kterým by se jevil na ose motoru při rychlosti n 1. Znovu vyjdeme z rovnosti kinetické energie pracovního stroje před přepočtem a po něm. Přepočtem se kinetická energie nesmí změnit. W W k k Elektrické pohony a výkonová elektronika 5

7 1 mv 1 J 1 v J m 1 Účinnost převodovky na přepočet nemá vliv. Celkový moment setrvačnosti pohonu je součtem dílčích momentů setrvačnosti všech jeho částí včetně motoru. Přídavný moment setrvačnosti je bez motoru..4 Shrnutí Elektrickým pohonem se rozumí zařízení pro přeměnu mechanické energie na elektrickou. Nejdůleţitější sloţky pohonu jsou měnič, elektromotor a řídící část. Elektromotor pak pohání pracovní stroj. Pohybová rovnice pohonu popisuje jeho stav. Můţe se otáčet ustálenou rychlostí, zrychlovat či zpomalovat. U pohonů s převody je nutno přepočítat M i J zátěţe na osu motoru. Uvádějí se rovnice pro tento přepočet..5 Kontrolní otázky 1. Co si představujeme pod pojmem elektrický pohon?. Ze kterých hlavních částí se skládá elektrický pohon? 3. Jakou funkci má měnič? 4. Uveďte příklady pracovních strojů. 5. Co je pohybová rovnice pohonu? 6. Vysvětlete pojem moment setrvačnosti. 7. Jaké stavy pohonu mohou obecně nastat? 8. Z jaké základní myšlenky se vychází při přepočtu momentu na jednu osu? 9. Z jaké základní myšlenky se vychází při přepočtu momentu setrvačnosti na jednu osu? 10. Uveďte rovnice pro přepočet M a J na jednu osu..6.!úkoly 1. Proveďte přepočet M na osu motoru u pohonu podle obr , je-li M p = 0 Nm, n 1 = 1400 min -1, n = 00 min -1, = 97%.. Proveďte přepočet M na osu motoru u pohonu podle obr..3.4., je-li m = 0 kg, n 1 = 1400 min -1, v = m/s, = 99%. 3. Proveďte přepočet J na osu motoru u pohonu podle obr , je-li J = kg.m, n 1 = 1400 min -1, n = 00 min Proveďte přepočet J na osu motoru u pohonu podle obr , je-li m = 0 kg, v = m/s, n 1 = 1400 min -1. Elektrické pohony a výkonová elektronika 6

8 3. Momentové charakteristiky pracovních strojů 3.1 Cíl Seznámit se se základními druhy momentových charakteristik pracovních strojů 3. Klíčová slova Momentová charakteristika, moment, úhlová rychlost, charakteristika jeřábová, kalandrová, ventilátorová, hyperbolická, zátěţný moment aktivní, pasivní. 3.3 Obsah Druhy zátěžných momentů pracovních strojů Momentové charakteristiky různých pracovních strojů lze zařadit do několika skupin, které jsou typické. Při určitém zjednodušení je lze popsat jednoduchými matematickými závislostmi. Jak známo, mezi výkonem a momentem je vztah P =.M. V následujících grafech se uvádějí jak momentová charakteristika, tak závislost na výkonu. 1. Jeřábová charakteristika s konstantním momentem Moment je konstantní: M = b 0 = konst; výkon roste lineárně: P = b 0 Tuto charakteristiku mají jeřáby, výtahy, těţní stroje, trakční vozidla, ventily, dopravníky.. Kalandrová charakteristika s lineárním momentem Moment roste lineárně s otáčkami: M = b 1 ; výkon roste kvadraticky: P = b 1 Tuto charakteristiku mají kalandry (válcovací stroje se dvěma válci), papírenské a textilní stroje, válcovací stolice, míchací stroje, obecně stroje, které stlačují nějaká tělesa či hmotu. 3. Ventilátorová charakteristika - s kvadratickým momentem Moment roste kvadraticky s otáčkami: M = b ; výkon roste se třetí mocninou otáček: P = b Elektrické pohony a výkonová elektronika 7

9 Tuto charakteristiku mají ventilátory, odstředivá čerpadla, lodní šrouby, turbokompresory, odstředivky, vrtule, obecně stroje pracující na odstředivém principu, které překonávají odpor plynu či kapaliny. 4. Navíječková charakteristika s hyperbolickým momentem Moment je nepřímo úměrný otáčkám: M = b -1 /; výkon je konstantní: P = b 0-1 = konst Tuto charakteristiku mají navíječky drátů, pasů apod., soustruhy, frézy, vrtačky. Některé pracovní stroje mohou mít sloţitější závislost momentu, např. pístová čerpadla na úhlu natočení (poloze) aj. 3.4 Shrnutí Momentové charakteristiky pracovních strojů se zjednodušeně dělí na čtyři skupiny, popsatelné jednoduše matematicky. Charakteristiky se nazývají jeřábová, kalandrová, ventilátorová a navíječková a moment je u nich konstantní, lineárně, kvadraticky a nepřímo úměrně závislý na otáčkách. Podle směru momentu v závislosti na směru otáček se rozeznává aktivní a pasivní zátěţný moment. 3.5 Kontrolní otázky 1. Co je momentová charakteristika pracovního stroje?. Jaké druhy momentových charakteristik znáte? 3. Jaký je rozdíl mezi jeřábovou a kalandrovou charakteristikou? 4. Která charakteristika má při nízkých otáčkách malý moment? 5. Které stroje mají vţdy aktivní moment? 6. Jakým směrem působí pasivní zátěţný moment: 3.6!Úkoly 1. Nakreslete momentové charakteristiky základních typů.. Se kterými druhy pracovních strojů se setkáme v běţné praxi? Elektrické pohony a výkonová elektronika 8

10 4. Momentové charakteristiky a provozní vlastnosti asynchronních a synchronních motorů 4.1 Cíl Seznámit se s momentovou charakteristikou. asynchronních a synchronních motorů a jejich nejdůleţitějšími provozními vlastnostmi tj. spouštěním, řízením rychlosti a elektrickým brzděním. 4. Klíčová slova Momentová charakteristika, záběrný moment, moment zvratu, spouštění, řízení rychlosti, elektrické brzdění, měnič. 4.3 Obsah Asynchronní motory Moment P R R (1 s) Obecná definice momentu: M. Asynchronní stroj má P 3 I a P 3 I, z čehoţ s s plyne P P ( 1 s). Z definice skluzu plyne n ns ( 1 s), tedy i s ( 1 s). Po dosazení do definičního vztahu pro moment je M Momentová charakteristika P P (1 s) P (1 s) s Je to závislost momentu na otáčkách či na skluzu; stupnice skluzu je opačná neţ stupnice otáček. Někdy se uvádí závislost opačná, tedy otáček na momentu. Její tvar je charakteristický, vyplývá ze vztahu M P R 3 I s s s R 3 ss ( R 1 R ) s U 1 f ( X 1 X ) s R ss ( R 1 R ) s U 1 ( X 1 X Pomocí limit lze zjistit, ţe vznikla z přímky a hyperboly. Při skluzech blízkých nule je přímková, při skluzech kolem jedné je hyperbolická. Přirozená momentová charakteristika: při jmenovitém napětí a jmenovité frekvenci. Tvar momentové char. lze ovlivnit napětím, frekvencí, u krouţkových motorů velikostí rotorového odporu. Ze vztahu pro M plyne důleţitý fakt, ţe moment závisí kvadraticky na napětí. Pracovní oblast je lineární část charakteristiky blízko n s. Důleţité body: záběrný moment M z, moment zvratu (maximální) M zv, synchronní otáčky n s. Při změně napětí se mění M z i M zv, coţ můţe být nevýhodné (jak známo, moment závisí na U ). Při změně frekvence se mění n s a lineární část charakteristiky se rovnoběţně posouvá. ) Elektrické pohony a výkonová elektronika 9

11 Statická stabilita Rozeberme ji na pohonu zátěţe s jeřábovou charakteristikou. Rovnají-li se momenty M h a M p, nemusí to nutně znamenat stabilní chod ustálenou rychlostí. v Bodě 1 je chod stabilní. V bodě nestabilní, protoţe při jakékoliv nahodilé změně parametrů se pohon buď urychlí do bodu, nebo dm zastaví. Obecně lze napsat, ţe při h dm p je pohon staticky stabilní a naopak. d d Spouštění Hlavním úkolem při spouštění je omezení záběrného proudu, ale nesmí se sníţit záběrný moment pod potřebnou hodnotu. Motory s kotvou nakrátko Přímé připojení k síti Záběrný proud se nesníţí (činí asi pětinásobek jmenovitého proudu), ale ani záběrný moment se nesníţí a odpovídá přirozené momentové charakteristice. Lze uţít omezeně (např. na běţné síti 3x400 V a bez povolené výjimky do 3 kw výkonu) Spouštění sníženým napětím Záběrný proud se sníţí, ale stejným způsobem se sníţí záběrný moment. Různé varianty: přepínání Y D (proud i moment klesne ve hvězdě třikrát), spouštěcí autotransformátor, předřadná impedance ve statoru, softstartér napěťový měnič s antiparalelními tyristory (na obr.) Elektrické pohony a výkonová elektronika 10

12 Spouštění sníženou frekvencí Záběrný proud se sníţí, záběrný moment nikoliv, lze ovlivnit. Je nutný drahý frekvenční měnič, pouţitelný však i pro regulaci otáček. Motory kroužkové Spouštění se děje postupným vyřazováním (plynulým či skokovým) vnějších odporů zařazených do rotorového obvodu. Vyřazování odporových stupňů se řídí podle času nebo proudu Řízení rychlosti 60 f Tři moţné způsoby plynou ze vztahu pro otáčky n 1 s. p Řízení frekvencí nejdůleţitější, nejdokonalejší, nejrozšířenější. Řízení je plynulé, nutný frekvenční měnič (usměrňovač, stejnosměrný meziobvod a střídač, řízení mikroprocesorem). Střídač vytváří ze stejnosměrného napětí meziobvodu pomocí pulsně šířkové modulace (PWM) obdélníkový průběh napětí, jehoţ první harmonická je poţadovaná frekvence. Při změně frekvence se musí měnit i napětí, aby se neměnil neţádoucím způsobem mg. tok, plyne to z transformátorové rovnice. O měničích bude ještě podrobně pojednáno. Řízení přepínáním pólpárů pouze skokově, obvykle dvourychlostní motory, buď dvě samostatná vinutí, nebo jedno přepínatelné vinutí. Řízení skluzem pouze krouţkové motory, do rotoru se přivádí regulační napětí, které ovlivní skluz. Zastaralý způsob ztrátové řízení rotorovými odpory; hospodárný způsob frekvenční měnič, tzv. ventilová kaskáda. Z výkonu P potřebného pro určitý moment se vyuţije P = P (1-s), zbytek skluzový výkon sp se mění na teplo v odporech nebo vrací přes měnič do sítě Elektrické brzdění Protiproudem přepólování dvou libovolných fází, změna směru točivého pole, velký proudový náraz, nutno zajistit proti rozběhu opačným směrem. Rekuperací stroj se provozuje při nadsynchronních otáčkách, vznikne generátorický chod a energie se vrací do sítě. Moţnosti: sníţení frekvence frekvenčním měničem; zvýšení otáček při spouštění břemene. Do odporu - při uţití frekvenčního měniče, odpor se zařadí do stejnosměrného meziobvodu. Stejnosměrným proudem stator se napájí stejnosměrným proudem, čímţ vznikne stojící mg. pole. Elektrické pohony a výkonová elektronika 11

13 4.3. Synchronní motory Momentová charakteristika Momentová charakteristika je absolutně tvrdá, otáčky jsou vţdy synchronní. Při překročení maximálního momentu, tedy překročení mezního zátěţného úhlu motor vypadne ze synchronismu a zastaví se, coţ je poruchový stav, neboť vinutím kotvy protéká velký proud. 60 f s p Spouštění Je největším problémem synchronních motorů. 1. Asynchronní spouštění na asynchronním principu. Budicí vinutí je zkratováno, spolu s amortizérem plní funkci kotvy nakrátko. Po rozběhu na mírně podsynchronní otáčky se budicí vinutí rozpojí, motoru se nabudí a sám vtáhne do synchronismu. Proudový náraz se omezuje sníţením napětí, např. předřadnými tlumivkami nebo Y-D. Pouţívá se pro motory bez frekvenčních měničů nebo pro generátory přečerpávacích vodních elektráren v čerpadlovém reţimu.. Spouštění s frekvenčním měničem měnič postupně zvyšuje frekvenci (prakticky od nuly) tak, aby se nepřekročil mezní zátěţný úhel a stroj nevypadl ze synchronismu. V současné době je nejrozšířenější. 3. Roztočení pomocným motorem a přifázování po splnění stejných podmínek jako u generátoru Řízení rychlosti Je moţné pouze frekvencí. Pouţije-li se frekvenční měnič, umoţňuje spouštění, řízení rychlosti i brzdění rekuperací. Při řízení se vţdy musí dbát, aby nedošlo k vypadnutí ze synchronismu překročením mezního zátěţného úhlu max Elektrické brzdění 1. Do odporu po odpojení kotvy od sítě a připojení rezistorů se stroj chová jako generátor pracující do odporové zátěţe. Kinetická energie pohonu se mění se stroji na elektrickou a dále v rezistorech na teplo. Elektrické pohony a výkonová elektronika 1

14 . Rekuperací sniţujeme-li frekvenčním měničem frekvenci tak, aby stroj pracoval jako generátor (a nepřekročil se max ), vrací se energie zpět do zdroje. Ten musí být ovšem schopen energii přijmout (např. tvrdá síť). 4.4 Shrnutí Momentová charakteristika elektromotoru popisuje závislost momentu na otáčkách či naopak. Asynchronní motor má tvrdou charakteristiku specifického tvaru, synchronní motor absolutně tvrdou. Z provozních vlastností asynchronních i synchronních motorů jsou nejdůleţitější různé metody spouštění, řízení rychlosti a elektrického brzdění. 4.5 Kontrolní otázky 1. Jaké znáte způsoby spouštění asynchronních motorů s kotvou nakrátko?. K čemu slouţí frekvenční měniče? 3. Jaké výhody má brzdění rekuperací? 4. Jaký tvar má momentová charakteristika synchronního motoru? 5. Jaké jsou způsoby spouštění synchronních motorů? 4.6!Úkoly 1. Porovnejte tři způsoby řízení rychlosti asynchronních motorů.. Nakreslete a popište momentovou charakteristiku asynchronního motoru. 3. Vysvětlete vypadnutí synchronního motoru ze synchronismu. Elektrické pohony a výkonová elektronika 13

15 5. Momentové charakteristiky a provozní vlastnosti stejnosměrných motorů 5.1 Cíl Seznámit se s momentovou charakteristikou stejnosměrných motorů a jejich nejdůleţitějšími provozními vlastnostmi tj. spouštěním, řízením rychlosti a elektrickým brzděním. 5. Klíčová slova Spouštění, řízení rychlosti, elektrické brzdění, měnič, momentová charakteristika, záběrný moment. 5.3 Obsah Cize buzený motor Momentová charakteristika Její rovnici lze odvodit ze tří základních rovnic stejnosměrných motorů: napěťové rovnice U U i RI, z rovnice pro indukované napětí U k i a rovnice pro moment M ki. RM Dosazením do napěťové rovnice za U i z druhé a za I ze třetí rovnice dostaneme U k. k U RM Vyjádříme úhlovou rychlost a získáme závislost f ( M ), coţ je rovnice přímky. k ( k) U RM První člen 0 představuje úhlovou rychlost naprázdno, druhý člen pokles úhlové k ( k) rychlosti při zatíţení. Přirozená momentová charakteristika (jmenovité napětí, jmenovitý budicí proud čili i tok, v obvodu kotvy není sériový odpor) je tvrdá, pokles otáček při zatíţení je malý. Parametry jsou napětí, odpor v obvodu kotvy a magnetický tok Spouštění Hlavním úkolem při spouštění je omezení záběrného proudu, s velikostí záběrného momentu nebývají potíţe. Motor však musí být plně nabuzen, aby měl velký moment ( M ki ). Napěťová rovnice: U U i RI. Indukované napětí U k i je počátku spouštění nulové. Z rovnice plynou dva způsoby omezení záběrného proudu: Spouštění sníženým napětím:. Je potřeba zdroj regulovatelného napětí (řízený usměrňovač, pulsní měnič). Hospodárné. Spouštění předřadným sériovým odporem: zvýší se tak celkový odpor v obvodu kotvy. Nehospodárné, ztrátové. Elektrické pohony a výkonová elektronika 14

16 Řízení rychlosti U RM Tři moţné způsoby plynou ze vztahu pro úhlovou rychlost. k ( k) Řízení napětím: nejdůleţitější, nejdokonalejší, nejrozšířenější. Řízení je plynulé, je nutný regulovatelný zdroj. Řízení sériovým odporem: k odporu kotvy R a se přidá sériový odpor R s, takţe R = R a + R s. Zastaralá, ztrátová regulace. Řízení magnetickým tokem: pouze doplňkové řízení odbuzováním po dosaţení maximálního napětí, tedy nad přirozenou momentovou charakteristikou. Klesá při něm maximální moment, coţ plyne ze vztahu Mmax kmax Imax. Tvar momentové charakteristiky při změně parametrů je zřejmý po rozboru rovnice Elektrické brzdění Protiproudem přepólování kotvy a zařazení sériového odporu, nehospodárné, nutno zajistit proti rozběhu opačným směrem. V grafu jsou znázorněny poměry při brzdění. Motor s hnacím momentem (momentová charakteristika M h1 ) pracuje do zátěţe, která vytváří v opačném směru zátěţný moment (momentová charakteristika M p ). Pohon se točí ustálenou rychlostí 1. Při brzdění se charakteristika motoru změní na M h. Jeho hnací moment se změní na záporný. Podle pohybové rovnice pohonu d M h M p M d J bude dynamický moment M d záporný, v absolutní hodnotě je roven součtu dt absolutní hodnoty hnacího a zátěţného momentu. Pohon tedy bude brzdit. Elektrické pohony a výkonová elektronika 15

17 Do odporu - odpojení kotvy od zdroje a připojení odporu, stroj pracuje jako dynamo do odporové zátěţe a kinetickou energii pohonu mění na teplo. Odpor se během brzdění můţe sniţovat, aby brzdící moment rostl. Dobrţďování do nuly se zpravidla provádí mechanicky. Charakteristiky jsou na obrázku vlevo (při brzdění je zdroj odpojen, proto U = 0 a charakteristika prochází počátkem). Rekuperací měničem se sníţí napětí, vznikne tak generátorický chod a energie se vrací do sítě. Jde o jediný hospodárný způsob. Charakteristiky na obrázku vpravo Sériový motor: Momentová charakteristika U RM Vyjdeme z rovnice cize buzeného motoru. Neuvaţujeme-li vliv sycení, pak k ( k) U R U R M ki ~, k M a po dosazení a úpravě. kk M ( kk) C M C Charakteristika je hyperbolická, měkká. Otáčky se velmi přizpůsobují zatíţení. Podobnou charakteristiku mají i střídavé sériové komutátorové motory, které jsou velmi rozšířené. Elektrické pohony a výkonová elektronika 16

18 5.3.. Spouštění a řízení rychlosti Je prakticky shodné s cize buzenými motory. Odbuzování lze realizovat tzv. šuntováním, kdy se zapojí odpor paralelně k budícímu vinutí Elektrické brzdění Protiproudem přepóluje se pouze kotva a zařadí sériový odpor. Do odporu je nespolehlivé, protoţe záleţí na samonabuzení díky remanentnímu toku. V praxi se motory při brzdění obvykle přepojí na cizí buzení. Rekuperací nelze, napětí by záviselo na zatíţení, coţ je zcela nevhodné. Téţ moţno přepojit na cizí buzení. 5.4 Shrnutí Momentová charakteristika stejnosměrného stroje popisuje závislost otáček na momentu a jejím tvarem se zásadně liší tvrdé cize buzené motory a měkké sériové motory. Z provozních vlastností stejnosměrných motorů jsou nejdůleţitější různé metody spouštění, řízení rychlosti a elektrického brzdění. 5.5 Kontrolní otázky 1. Jaké znáte způsoby spouštění stejnosměrných motorů?. Který způsob řízení otáček je hospodárný? 3. Jak se realizuje brzdění rekuperací?. 4. Jaký je hlavní rozdíl mezi cize buzeným a sériovým motorem? 5.6!Úkoly 1. Nakreslete a popište momentovou charakteristiku cize buzeného motoru.. Nakreslete momentové charakteristiky při brzdění protiproudem, do odporu a rekuperací a popište všechny momenty na počátku brzdění. Elektrické pohony a výkonová elektronika 17

19 6. Dimenzování a jištění elektromotorů 6.1 Cíl Seznámit se se zásadami pro dimenzování a jištění elektromotorů. 6. Klíčová slova Dimenzování, jištění vnější, vnitřní Obsah Dimenzování elektromotoru Při zjednodušeném návrhu motoru je nutno vyjít z těchto skutečností: motor musí vyvinout M h větší neţ je moment zátěţe M p jmenovitý výkon motoru musí být větší nebo roven příkonu zátěţe V opačném případě pohon se nerozeběhne dojde k nedovolenému oteplení motoru U pohonů se spínacími ztrátami, tj. takových, kde dochází k častému spouštění nebo i elektrickému brzdění, je nutno brát v úvahu, ţe 1 do zátěţe je při rozběhu nutno dodat navíc kinetickou energii Wk J při elektrickém brzdění se musí tato energie přeměnit na jiný druh energie. Toto má za následek zvýšené oteplení motoru. Dimenzování je komplikovanější a provádí se s ohledem na velikost celkového J pohonu (přepočteného na osu motoru) a četnosti spínání. Druhy zatíţení motoru: trvalé zatíţení (S1) při proměnlivé hodnotě výkonu se musí určit tzv. ekvivalentní výkon; pro asynchronní, synchronní a stejnosměrné cize buzené motory platí. krátkodobý chod (S) např. S 10 min z pohledu trvalého zatíţení by byl motor přetíţen, ale krátkodobě oteplení nepřesáhne dovolenou hodnotu přerušovaný chod (S3), popř. s rozběhem (S4) či s rozběhem a elektrickým brzděním (S5) střídá se doba chodu a doba klidu; uvádí se normovaný zatěţovatel poměr doby chodu a doby cyklu 10 minut, např. S3 40% přerušované zatíţení (S6) střídá se doba zatíţení a chodu naprázdno norma ČSN EN uvádí ještě další druhy zatíţení S7 S Jištění elektromotorů Jištění se provádí proto, aby nedošlo k nedovolenému oteplení vinutí motoru. Provádí se proti nadproudu, a to proti zkratu proti přetíţení Vnější jisticí prvky jsou jističe s vypínací charakteristikou C nebo D podle charakteru rozběhu (lehký těţký); slouţí proti zkratu i přetíţení pojistky proti zkratu a tepelná relé (doplňkové moduly stykačů) proti přetíţení Vnitřní jisticí prvky jsou méně obvyklé, ale dokonalejší. Vkládají se do vinutí motoru a snímají bezprostředně jeho teplotu. Jde o termistory spojené s elektronickými relé, která vyhodnotí oteplení a případně zajistí vypnutí. Elektrické pohony a výkonová elektronika 18

20 6.4 Shrnutí Elektromotory se dimenzují s ohledem na poţadovaný moment a na oteplení. Jištění se provádí proti nadproudům, tedy zkratům a přetíţení, a můţe být vnější nebo vnitřní. 6.5 Kontrolní otázky 1. Podle jakých zásad se dimenzuje elektromotor?. Jaké rozlišujeme způsoby jištění podle různých hledisek? 6.6!Úkoly 1. Vypočítejte ekvivalentní výkon asynchronního motoru pro trvalé proměnlivé zatíţení, jestliţe se střídá výkon 1 kw a kw po 5 minutách.. Navrhněte jištění asynchronního motoru 400 V,, kw, 4.8 A. Elektrické pohony a výkonová elektronika 19

21 7. Elektronické součástky používané v měničích 7.1 Cíl Seznámit se se zpětně závěrnými tyristory, tranzistory IGBT a tyristory IGCT. 7. Klíčová slova Zpětně závěrný tyristor, vypínací tyristor GTO, tranzistor IGBT, tyristor IGCT. 7.3 Obsah Zpětně závěrný tyristor Je to polovodičový čtyřvrstvý prvek se třemi PN přechody a třemi elektrodami anodou A, katodou K a řídící elektrodou (gate) G. obr Tyristor má při kladné polarizaci napětí zdroje (+ na anodě) dva reţimy blokovací, kdy je zavřený, a propustný, kdy je otevřený (jako dioda), a do kterého přejde po přivedení kladného řídícího proudu (postačuje impuls) na gate. Vypnutí je moţné jen působením vnějšího obvodu poklesem anodového proudu blízko k nule (přesněji na hodnotu tzv. vratného proudu) Vypínací tyristor GTO (Gate Turn Off) Má podobnou strukturu, ale jiné rozměry jednotlivých vrstev, coţ vede k odlišným vlastnostem. Zapíná se stejně, ale lze vypnout záporným impulsem proudu na gate IGBT tranzistor V současné době je nejpouţívanější součástkou výkonové elektroniky polovodičová struktura nazývaná Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT). Principiálně se jedná o kaskádní spojení unipolárního a bipolárního tranzistoru. Zjednodušeně řečeno, jde o bipolární tranzistor řízený unipolárním tranzistorem. Proud báze koncového bipolárního tranzistoru PNP (jehoţ emitor je kolektorem IGBT a kolektor emitorem IGBT) je spínán unipolárním tranzistorem MOSFET typu N s indukovaným kanálem. Řídicí veličinou je tedy napětí (přiváděné na gate), coţ je výhodné z pohledu budiče zdroje řidicího signálu, protoţe není zatěţován proudem. Výkonový tranzistor je pak bipolární se všemi svými výhodami, zejména vyššími napěťovými a proudovými parametry a niţšími spínacími ztrátami. Obrázek znázorňuje zjednodušenou strukturu, na obr je jedna z moţných značek IGBT tranzistoru. Elektrické pohony a výkonová elektronika 0

22 obr obr IGCT tyristor (Integrated Gate Commutated Thyristor) Jde o strukturu podobnou vypínacímu tyristoru GTO, má však kratší vypínací dobu. Obě součástky mají své výhody a nevýhody (např. IGBT je pouţitelný pro vyšší spínací frekvence), proto jejich souběh ve výkonové elektronice pokračuje. Ve frekvenčních měničích, které neumoţňují rekuperaci, je moţno v usměrňovači pouţít výkonové diody, v novějších měničích tomu tak nebývá. 7.4 Shrnutí Ve výkonové elektronice se pouţívají zejména výkonové spínací součástky zpětně závěrný tyristor, vypínací tyristor GTO, tranzistor IGBT a tyristor IGCT. 7.5 Kontrolní otázky 1. Jaké výkonové součástky se pouţívají v měničích?. Jaká je struktura IGBT tranzistoru? 3. Jaký je hlavní rozdíl mezi IGBT a IGCT? 7.6!Úkoly 1. Vyhledejte na internetu katalogový list libovolného tyristoru a vypište jeho hlavní parametry.. Vyhledejte na internetu katalogový list libovolného IGBT modulu a vypište jeho hlavní parametry. Elektrické pohony a výkonová elektronika 1

23 8. Neřízené a řízené usměrňovače 8.1 Cíl Seznámit se se zapojeními diodových a tyristorových usměrňovačů a jejich vlastnostmi. 8. Klíčová slova Usměrňovač neřízený diodový, řízený tyristorový, reţim usměrňovačový, invertorový, čtyřkvadrantový usměrňovač. 8.3 Obsah Neřízené usměrňovače Obsahují diody. Usměrňují střídavé napětí bez moţnosti jeho regulace. V elektrických pohonech je lze pouţít pro napájení budicích obvodů stejnosměrných cize buzených motorů bez moţnosti regulace budicího proudu, dále pro napájení kotev a budicích obvodů stejnosměrných motorů s regulací napětí na střídavé straně usměrňovače (např. regulačním transformátorem). Rozlišujeme zapojení podle počtu fází, pulsů (počet pulsů na výstupu během jedné periody napětí zdroje) a cest (podle směru proudu ve střídavém zdroji). Jednofázová zapojení: jednofázové jednopulsní jednocestné Trojfázová zapojení: jednofázové dvoupulsní dvoucestné (jednofázový můstek) trojfázové trojpulsní jednocestné trojfázové šestipulsní dvoucestné (trojfázový můstek) Jednocestná zapojení jsou nevýhodná, střídavý zdroj je zatěţován stejnosměrnou sloţkou proudu, v pohonech se pouţívají prakticky výhradně zapojení dvoucestná Řízené usměrňovače Jsou tvořeny tyristory. Usměrňují střídavé napětí s moţností jeho regulace. V elektrických pohonech je lze pouţít pro napájení budicích obvodů a kotev stejnosměrných motorů s regulací napětí a moţností rekuperace v invertorovém čili střídačovém chodu. Elektrické pohony a výkonová elektronika

24 Zapojení řízených a neřízených usměrňovačů jsou principiálně stejná. Na obrázku je napájení kotvy stejnosměrného cize buzeného motoru řízeným usměrňovačem v trojfázovém trojpulsním jednocestném zapojení. Fázové řízení je řízení napětí pomocí změny řídících úhlů tyristorů. Režimy práce: Usměrňovačový režim řídící úhly tyristorů se pohybují v rozmezí 90º - 0º, tomu odpovídá střední hodnota napětí na zátěţi (motoru) 0 U davmax. Motor indukuje protinapětí U i, které je menší neţ U dav, proto teče do motoru proud v kladném směru. Invertorový či střídačový režim řídící úhly jsou nad 90º, U dav je záporné. Aby tekl proud v kladném směru (v opačném to tyristory neumoţňují), musí být protinapětí U i opačné polarity a navíc větší neţ U dav. V zapojení s jedním měničem je nutno kotvu přepólovat. Motor přechází do generátorického chodu, brzdí pohon a rekuperuje energii do zdroje. Během brzdění se musí udrţovat řídicí úhly tyristorů tak, aby U dav bylo stále menší (méně záporné) neţ U i, jinak by zanikl proud. Při změně reţimu práce je třeba změnit polaritu U i motoru, tedy přepólovat kotvu. Mechanické kontakty jsou nepraktické a zhoršují dynamiku pohonu. Výhodnější je pouţití dvou měničů v bezkontaktním zapojení reverzačních čtyřkvadrantových měničů podle obrázku. Reverzační měniče pracují pro oba směry otáčení pohonu a reţim motor i brzda, proto se nazývají čtyřkvadrantové. Výhodné je tzv. řízení s okruhovými proudy, kdy pracují oba měniče (jejich řídící úhly v součtu musí být 180º, aby nenastal zkrat, tedy U dav1 = -U dav ). Jeden měnič je v reţimu usměrňovač, druhý invertor. Stejnosměrný proud (a výkon) teče vţdy jen jedním měničem. Střídavé okruhové proudy jsou zapříčiněny občasnými rozdíly okamţitých hodnot u d1 a u d obou měničů a lze je omezit tlumivkami. Toto zapojení má výbornou dynamiku a z reţimu motor do brzdění rekuperací či naopak lze přejít pouhou současnou směnou řídících úhlů obou můstků. Elektrické pohony a výkonová elektronika 3

25 8.4 Shrnutí Pro stejnosměrné pohony napájené ze střídavé sítě se pouţívají usměrňovače. Řízené (tyristorové) regulují střední hodnotu stejnosměrného napětí a umoţňují invertorový chod brzdění rekuperací. Napětí se řídí fázově změnou řídících úhlů tyristorů. Čtyřkvadrantové reverzační měniče pracují pro oba směry otáčení pohonu v reţimu motor i brzda. 8.5 Kontrolní otázky 1. Jaký je rozdíl mezi neřízeným a řízeným usměrňovačem?. Popište reţimy práce řízeného usměrňovač. 3. Jak provedeme změnu reţimu pohonu z motorického na brzdění? 8.6!Úkoly 1. Vysvětlete rozdíl mezi usměrňovačovým a invertorovým reţimem.. Určete, v jakém reţimu pracují můstky reverzačního měniče, je-li U dav1 = 00 V, U i = 10 V. Elektrické pohony a výkonová elektronika 4

26 9. Pulsní měniče 9.1 Cíl Znát zapojení silových obvodů pulsních měničů pro sníţení napětí, zvýšení napětí a rekuperaci. 9. Klíčová slova Pulsní měnič sniţovací, zvyšovací, rekuperační, nulová dioda. 9.3 Obsah Pulsní měniče slouţí ke změně střední hodnoty stejnosměrného napětí U dav. V pohonech je lze pouţít pro řízení stejnosměrných motorů napájených ze stejnosměrné sítě, zejména v elektrické trakci a automobilovém průmyslu Snižovací pulsní měnič Základní zapojení pulsního měniče obsahuje jako hlavní součástku spínací prvek V1, kterým bývá obvykle tranzistor IGBT. V1 je periodicky zapínán a vypínán. Střední hodnota výstupního pulsujícího napětí U dav se určí jednoduše z rovnosti obdélníků U dav.t = U t 0, jestliţe T je perioda spínání, t 0 doba otevření a U napětí zdroje. U dav lze řídit změnou doby otevření při konstantní periodě, změnou periody při konstatní době otevření nebo kombinací obou způsobů. Po vypnutí spínacího prvku V1 se stává zdrojem indukčnost kotvy motoru, popř. i vyhlazovací tlumivka. Proud teče dále v původním směru a uzavírá se přes nulovou diodu V0. Z hlediska motoru je nejvýhodnější nepřerušovaný proud pokud moţno co nejvíce vyhlazený. K vyhlazení můţe dopomoci sériová tlumivka T. Při malém zatíţení motoru nebo chodu naprázdno je proud přerušovaný, indukčnost obvodu nemá po vypnutí V1 dostatek energie pro udrţení proudu po celou periodu. Spínacím prvkem ve starších měničích je zpětně závěrný tyristor. Zde se musí pro vypínání pouţít komutační (vypínací) obvod, který vytvoří při vypínání v tyristoru protiproud. V zapojení podle obrázku je zdrojem protiproudu kondenzátor C, který se nabije na polaritu naznačenou v závorce po zapnutí V1 přes rezonanční obvod LC a vybije po zapnutí V přes V a V1. Elektrické pohony a výkonová elektronika 5

27 9.3. Zvyšovací pulsní měnič Hlavní roli v něm má akumulační tlumivka T. Po sepnutí V1 se v ní hromadí energie. Po vypnutí V1 se na ní indukuje napětí u i, které se přičítá k napětí zdroje a do motoru teče přes diodu V0 proud, dokud součet napětí zdroje a tlumivky U + u i převyšuje indukované napětí motoru U i. Přitom se energie z tlumivky předává do motoru Rekuperační pulsní měnič Opět se vyuţije vlastností akumulační tlumivky. Po zapnutí V1 hromadí energii, po vypnutí V1 tlumivka T indukuje napětí u i, které se přičítá k indukovanému napětí motoru U i. Dokud je součet u i + U i větší neţ napětí zdroje, teče proud přes diodu V0 zpět do zdroje, motor je v generátorickém reţimu a brzdí rekuperací. Energie pohonu i energie nahromaděná v tlumivce se přelévá do stejnosměrného zdroje. Ten musí být schopen energii přijmout, jinak rekuperace není moţná. 9.4 Shrnutí Pulsní měniče mění střední hodnotu stejnosměrného napětí, pouţívají se pro stejnosměrné pohony napájené ze stejnosměrné sítě. Mohou napětí sniţovat, zvyšovat a umoţňují i rekuperaci. 9.5 Kontrolní otázky 1. Na jakém principu pracuje sniţovací pulsní měnič?. Která součástka je nezbytná pro zvyšování napětí pulsním měničem a jakou má funkci? 3. K čemu slouţí nulová dioda? 9.6!Úkoly 1. Nakreslete základní schémata sniţovacího, zvyšovacího a rekuperačního pulsního měniče.. Vypočítejte střední hodnotu napětí na kotvě motoru U dav, je-li napětí stejnosměrné sítě U = 600 V, frekvence spínání f = 100 Hz a doba otevření tranzistoru 4 ms. Elektrické pohony a výkonová elektronika 6

28 10. Přímé frekvenční měniče a podsynchronní kaskády 10.1 Cíl Poznat základní princip cyklokonvertorů a podsynchronních kaskád. 10. Klíčová slova Přímý měnič frekvence cyklokonvertor, řízení dvojhodnotové, spojité, podsynchronní kaskáda Obsah Cyklokonvertory Jsou to přímé frekvenční měniče, které vytvářejí výstupní napětí přímo z trojfázové soustavy. Zapojeny jsou stejně jako reverzační stejnosměrné měniče. Pro kaţdou fázi asynchronního nebo synchronního motoru jsou uţity dva můstky A a B. Pracují střídavě v intervalech, kdy proud vinutím motoru teče jedním nebo druhým směrem. Dvojhodnotové řízení řídící úhly tyristorů nabývají pouze dvou hodnot. Jednodušší řízení, ale průběh výstupního napětí je nevýhodný, má vysoký obsah vyšších harmonických. u z První harmonická výstupního napětí (ţádaná frekvence) by se od skutečného průběhu vyznačeného tučně velmi lišila. Spojité řízení řídící úhly tyristorů se mění spojitě. Řízení je sloţitější, ale napětí má výhodnější průběh. I tak obsahuje vyšší harmonické. První harmonická a skutečné napětí výstupu měniče se blíţí mnohem víc. Znázornění první harmonické napětí a proudu (nahoře) a časový průběh řídících úhlů měniče (dole) Elektrické pohony a výkonová elektronika 7

29 Motor tvoří odporově induktivní zátěţ, proto je proud zpoţděn za napětím. Výstupní frekvence cyklokonvertorů je max. 0 Hz, hodí se tedy pro pomaluběţné pohony asynchronními a synchronními motory. Vyuţívají techniku tyristorů, jsou tedy jednodušší a levnější neţ nepřímé frekvenční měniče, ale vnášejí do sítě mnoţství vyšších harmonických Podsynchronní kaskády Jde o speciální zapojení nepřímého frekvenčního měniče sloţeného ze dvou tyristorových můstků. Měnič je zapojen mezi rotor krouţkového asynchronního motoru se skluzovou frekvencí a síť. Princip řízení je následující: v rotoru asynchronního krouţkového motoru se indukuje napětí u i, proti němuţ se přivádí z měniče regulační napětí U r. Tím je vlastně napětí stejnosměrného meziobvodu U dav, které se nastavuje pomocí řídících úhlů střídače. Tím je tyristorový trojfázový můstek a pracuje v invertorovém reţimu. Při změně U r se stejným způsobem mění u i, tedy např. po jeho zvýšení roste u i, proto musí vzrůst skluz a otáčky tudíţ klesnou. Je-li U r = 0, tedy = 90º, jsou otáčky přibliţně synchronní. Řízení otáček skluzem pomocí U r se pouţívá i při klasické ztrátové regulaci rotorovými odpory, kde jeho funkci má úbytek napětí na těchto odporech. Ten je ovšem závislý na zatíţení a momentová charakteristika se tak změkčuje. Při řízení kaskádou je U r nezávislé na zatíţení a momentové charakteristiky jsou stejné jako při řízení frekvencí. Elektrické pohony a výkonová elektronika 8

30 Výkonová bilance: Pro dosaţení určitého momentu je třeba nezávisle na skluzu určitého výkonu ve P P (1 s) P vzduchové mezeře P, coţ plyne ze vztahu M. Při malých skluzech se téměř (1 s) celý P spotřebuje na mechanický výkon podle vztahu P P ( 1 s). Při vyšších skluzech však zbývající, tzv. skluzový výkon s.p je nadbytečný. Podsynchronní kaskáda ho převede zpět do sítě, zatímco při odporovém řízení se mění v odporech na tepelný. Kaskáda je tedy výhodná z hlediska řízení i hospodárnosti Shrnutí Přímé frekvenční měniče tvoří výstupní napětí přímo z trojfázové sítě. Výstupní napětí má nízkou frekvenci a značný obsah vyšších harmonických. Měniče se pouţívají pro pomaluběţné pohony asynchronními a synchronními motory. Podsynchronní kaskády slouţí k řízení krouţkových asynchronních motorů skluzem. V principu jde o nepřímé frekvenční měniče, přes které se vrací skluzový výkon motoru do sítě. s 10.5 Kontrolní otázky 1. Z čeho se skládá a jak pracuje cyklokonvertor?. Jaký je rozdíl mezi dvojhodnotovým a spojitým řízením? 3. Proč mohou být výstupní frekvence cyklokonvertoru jen nízké? 4. Jak se nastavuje řídicí napětí podsynchronní kaskády? 5. Co je skluzový výkon a jaký vliv mají otáčky motoru na jeho velikost? 10.6!Úkoly 1. Popište, jak se mění řídící úhly tyristorů cyklokonvertoru.. Vysvětlete princip řízení krouţkového asynchronního motoru skluzem. 3. Popište tok výkonu asynchronního motoru s podsynchronní kaskádou. s Elektrické pohony a výkonová elektronika 9

31 11. Nepřímé frekvenční měniče blokové schéma, elektromagnetická kompatibilita 11.1 Cíl Znát základní bloky a blokové schéma nepřímého frekvenčního měniče. Pochopit pojem elektromagnetická kompatibilita (EMC), znát řešení EMC frekvenčních měničů, druhy rušení a odrušovací prostředky pouţívané ve frekvenčních měničích. 11. Klíčová slova Usměrňovač neřízený, řízený, meziobvod, střídač, elektromagnetická kompatibilita, rušivé vlivy, odrušení, vstupní a výstupní filtr, vstupní a výstupní tlumivka Obsah Frekvenční měniče mění napětí obecné napájecí sítě (konstantní frekvence a amplitudy), na napětí variabilní frekvence a amplitudy Blokové schéma frekvenčního měniče: Usměrňovač Přemění vstupní střídavé (jedno nebo třífázové) napětí na stejnosměrné pulsující napětí. Usměrňovač můţe být neřízený (diodový), plně řízený (tyristorový nebo tranzistorový), nebo polořízený (kombinace obou). K potlačení nepříznivých zpětných vlivů polovodičových usměrňovačů na napájecí síť se instalují kondenzátory pro kompenzaci jalového výkonu, rezonanční obvody pro filtraci a rádiové rušení, coţ ovšem vyţaduje velké mnoţství pasivních součástek. Proto se začínají pouţívat speciálně řízené vstupní usměrňovače, které nevyţadují další zařízení v silových obvodech. Tyto usměrňovače jsou realizovány pomocí plně řiditelných výkonových polovodičových součástek a jsou provozovány v reţimu pulsně šířkové modulace. Ve spojení se vstupním filtrem mohou pracovat s jednotkovým účiníkem, popřípadě účiníkem kapacitním, a maximálně omezují zpětné vlivy na napájecí síť Stejnosměrný meziobvod Vyskytují se tři typy. První přeměňuje stejnosměrné napětí z usměrňovače na stejnosměrný proud (proudový meziobvod). Druhý typ stabilizuje pulsující stejnosměrné napětí (napěťový meziobvod). Třetí typ upravuje konstantní stejnosměrné napětí z usměrňovače na jinou hodnotu. Stejnosměrný meziobvod můţe být povaţován za jakýsi zdroj, ze kterého čerpá střídač energii pro svou práci. Typ pouţitého meziobvodu závisí na pouţitém střídači a usměrňovači. Elektrické pohony a výkonová elektronika 30

32 Střídač Jde o nejdůleţitější a poslední výkonový prvek před motorem. Vytváří poţadovaný průběh napětí pro motor. Střídač odebírá ze stejnosměrné meziobvodu proměnný stejnosměrný proud, proměnné stejnosměrné napětí nebo konstantní stejnosměrné napětí a upravuje jej na napětí střídavé. V oblasti střídavých pohonů je nejrozšířenější tzv.napěťový střídač (VSI - Voltage Source Inverter) se stejnosměrným meziobvodem. Na jednotlivých fázích statoru AM se podle spínací kombinace objevují různá napětí, jejichţ velikost je závislá na napětí v meziobvodu a na spínací kombinaci výkonových spínacích prvků ve střídači. Napěťový střídač je schopen poskytnout maximálně osm konkrétních spínacích kombinací, kterým na základě teorie o fázorech odpovídá šest aktivních napěťových fázorů a dva fázory nulové. Jednotlivá provedení těchto měničů se od sebe liší hlavně v pouţitých výkonových spínacích prvcích (GTO, MOSFET, IGBT), ve velikosti spínací frekvence (100 Hz 0 khz) a v pouţitém typu modulace. Dále se stále více zohledňují evropské normy pro EMC elektrotechnických výrobků, coţ vede k pouţívání filtrů, stíněných kabelů, apod. Spínací polovodičové prvky ve střídači se zapínají a vypínají podle řídicích signálů z řídicích obvodů. Princip generování těchto signálů je dán zvolenou řídicí metodou. Pro vysokonapěťové aplikace se pouţívá vícehladinových měničů frekvence Řídicí obvody Mají za úkol zpracovávat a vyhodnocovat vstupní a zpětnovazební signály a zároveň provádět řídicí algoritmus, jehoţ výstupem jsou řídící pulsy pro střídač. Dnes je téměř vše realizováno číslicově, pomocí integrovaných obvodů a mikroprocesorů. Informace o stavu pohonu se získávají převáţně měřením. Pro měření proudů a napětí se pouţívají snímače. U standardních střídavých pohonů je pro přesné řízení pohybu nejdůleţitější čidlo pro snímání polohy nebo rychlosti hřídele motoru Elektromagnetická kompatibilita (EMC) Je to vlastnost elektrického nebo elektromagnetického přístroje spočívající v tom, ţe neovlivňuje jiný objekt včetně sebe samotného a ţe odolává působení ostatních přístrojů. Řešení elektromagnetické kompatibility frekvenčních měničů potom spočívá zejména v dodrţování určitých zásad při projekci, realizaci i provozu pohonu a v případném vyhodnocování rušivých účinků měřením. I při dodrţení všech zásad však nelze mít předem jistotu, ţe problémy s rušením nevzniknou. Rušivé vlivy frekvenčních měničů lze rozčlenit do následujících skupin: - rušivé vlivy na napájecí síť frekvenční měnič odebírá nesinusový proud, pracuje se špatným činitelem výkonu = P/S (obdoba účiníku, avšak se zohledněním vyšších harmonických) a zatěţuje síť vyššími harmonickými, spektrum harmonických i se mohou rychle měnit; - rušivé vlivy na výstupu měniče nepříznivé vlivy na motor, zejména vyšší napěťové namáhání motoru, vyšší hluk, přídavné tepelné ztráty, vyšší zvlnění momentu; - vysokofrekvenční elektromagnetické rušení sleduje se zejména pásmo 150 khz 30 MHz, uplatňuje se na vstupu i výstupu měniče a můţe rušit hromadné dálkové ovládání (HDO), zabezpečovací systémy, rádiový a televizní přenos, řídicí a měřicí systémy atd. Odstínění rušivých vlivů se zabezpečuje zejména prostřednictvím vstupních a výstupních odrušovacích prostředků Odrušení na vstupu měniče vstupní filtr Nutnost odrušení měniče se vstupním diodovým usměrňovačem na straně sítě je dána charakterem odebíraného proudu. Proud je tvořen úzkými vysokými pulsy, které se uplatňují v intervalech, kdy je okamţitá hodnota síťového napětí vyšší neţ napětí kondenzátoru v meziobvodu. Veškerou energii ze sítě musí měnič odebrat během těchto krátkých časových intervalů. Elektrické pohony a výkonová elektronika 31

33 Je zřejmé, ţe proud je značně nesinusový s velkým obsahem vyšších harmonických. Z hlediska odrušovacích prostředků rozlišujeme odrušení vstupu měniče vysokofrekvenční a nízkofrekvenční. K odstínění vysokofrekvenčního rušení se pouţívá vstupní odrušovací filtr (obr). Tento filtr je ve spojení s frekvenčním měničem nutno použít vždy. Frekvenční měniče některých výrobců mají tento filtr integrován. Vstupní filtr zabraňuje pronikání radiového rušení v rozsahu 150 khz aţ 30 MHz do sítě. Vstupní LC filtry jsou zapojeny jako L články nebo články. Při pouţití vstupního filtru musí být součet vstupních proudů roven součtu proudů výstupních. Předpokládá-li se průchod proudu středním pracovním vodičem, musí se pouţít čtyřvodičový filtr, u kterého jsou připojeny filtrační kondenzátory i na střední vodič. V tomto případě se musí důsledně oddělit ochranný a pracovní střední vodič Odrušení na vstupu měniče vstupní tlumivky Aby se zlepšilo harmonické spektrum proudu a sníţilo zatíţení diod vstupního usměrňovače špičkovými hodnotami vstupního proudu, je nutno na vstup měniče zapojit vstupní tlumivky (obr.). Pouţití tlumivek je nutné zejména v případě tvrdé napájecí sítě. U pohonů menších výkonů není někdy nutno, zejména v případě měkké napájecí sítě, tlumivky pouţívat. Někteří výrobci integrují vstupní tlumivky do měniče, někdy i za vstupní usměrňovač na vstup stejnosměrného meziobvodu. Na tlumivkách vzniká úbytek napětí, ten by neměl být vyšší neţ 5%. Úbytek stejného charakteru můţe vznikat v případě měkké sítě na její vnitřní impedanci. Tento úbytek nevzniká po dobu celé periody napájecího napětí, ale jen v časových intervalech, kdy přes usměrňovač protéká proud, který dobíjí kondenzátor v meziobvodu, tj. v okolí amplitudy síťového napájecího napětí. Úbytek můţe mít dvojí negativní účinek. Jedná se jednak o deformaci napájecího napětí v případě měkké sítě. Navíc se však vinou sníţené amplitudy vstupního napětí sniţuje napětí, na které je nabíjen kondenzátor v meziobvodu. V důsledku poklesu napětí meziobvodu klesá při jmenovité výstupní frekvenci měniče efektivní hodnota výstupního napětí a tím výrazně i moment motoru. I kdyţ efektivní hodnota vstupního napětí klesá minimálně, pokles napětí ve stejnosměrném meziobvodu můţe být aţ přes 10%, neboť vstupní napětí klesá jen v intervalech, kdy se přes usměrňovač dobíjí kondenzátor meziobvodu. Řešením je v tomto případě sníţení indukčnosti vstupních tlumivek Odrušení na vstupu měniče kompatibilní usměrňovač Efektivním řešením kompatibility měniče se sítí je pouţití vstupního kompatibilního usměrňovače místo usměrňovače diodového. Jedná se v principu o střídač, který je střídavou stranou připojen k síti a stejnosměrnou stranou na vstup stejnosměrného meziobvodu. Kompatibilní usměrňovač pracuje se šířkově pulsní modulací a kritériem řízení je udrţení poţadovaného napětí na kondenzátoru v meziobvodu, odběr sinusového proudu ze sítě a odběr minimálního jalového výkonu. Kromě toho je umoţněn při generátorickém brzdění chod energie ve směru od motoru do sítě. Při generátorickém brzdění se tedy nemusí pouţívat brzdný rezistor a energie pohonu se vrací Elektrické pohony a výkonová elektronika 3

34 do sítě. V případě měkké napájecí sítě lze kompatibilním usměrňovačem i filtrovat vyšší harmonické sítě či kompenzovat jalový výkon. Podmínkou pro realizaci popsaných funkcí je, aby bylo napětí kondenzátoru v meziobvodu vyšší neţ amplituda síťového napětí Odrušovací prostředky na výstupní straně měniče Rozhodujícím kritériem pro pouţití odrušovacích prostředků na výstupu měniče je délka kabelu k motoru. Je-li kabel kratší neţ 0 aţ 30 m, výstupní odrušovací prostředky se zpravidla nepouţívají. Při větší délce kabelu je pouţití výstupních odrušovacích prostředků vţdy nutné. I při menších délkách je však nutno postupovat podle podmínek konkrétní aplikace. Nepříznivé vlivy měniče na výstupu lze omezovat několika způsoby. První moţností je zapojení výstupních tlumivek. Ty omezí strmost nárůstu napětí du/dt na svorkách motoru a velikost proudových a napěťových špiček. Indukčnost výstupní tlumivky se pro daný měnič volí přibliţně jako třetina indukčnosti vstupní tlumivky. Neúčinnějším výstupním odrušovacím prostředkem je výstupní sinusový filtr. Ten téměř beze zbytku eliminuje rušivé účinky šířkově pulsní modulace, tj. na výstupu sinusového filtru je prakticky sinusové napětí, výstupní proud je rovněţ sinusový. Kromě odstínění neţádoucích účinků na motor sinusový filtr výrazně omezuje i elektromagnetické rušení. Sinusový filtr je řešen nejčastěji jako LC -článek Shrnutí Frekvenční měniče se skládají z usměrňovače, stejnosměrného meziobvodu a střídače. Jsou řízeny pomocí řídicích obvodů. Elektromagnetické kompatibilita frekvenčních měničů je fenomén, kterým se nutno se zabývat a spočívá v dodrţování určitých zásad, aby se potlačily rušivé vlivy. Rušivé vlivy jsou na napájecí síť, na výstupu měniče (nepříznivé pro motor), vysokofrekvenční rušení. Odstínění rušivých vlivů zajistí vstupní a výstupní odrušovací prostředky Kontrolní otázky 1. Jaké jsou druhy usměrňovačů?. Jaké jsou typy meziobvodů? 3. Jaká je funkce střídače? 4. Jaké druhy střídačů známe? 5. K čemu slouţí řídicí obvody měničů? 6. Co je elektromagnetické kompatibilita? 7. Které rušivé vlivy vznikají ve frekvenčních měničích? 8. Které vstupní a výstupní odrušovací prostředky se pouţívají? 9. Co je a jak pracuje vstupní filtr a vstupní tlumivka? 10. Co je kompatibilní usměrňovač a jak se liší od diodového? 11. Které odrušovací prostředky lze pouţít na výstupní straně měniče? 11.6!Úkoly 1. Nakreslete blokové schéma frekvenčního měniče.. Doplňte blokové schéma odrušovacími prostředky. Elektrické pohony a výkonová elektronika 33

35 1. Nepřímé frekvenční měniče výkonové obvody a pulsně šířková modulace 1.1 Cíl Seznámit se se stejnosměrným meziobvodem, zapojením součástek střídače a způsobem jejich spínání. 1. Klíčová slova Stejnosměrný meziobvod napěťový, proudový, střídač, trojfázový můstek, víceúrovňový (vícehladinový) měnič, pulsně šířková modulace Obsah Stejnosměrný meziobvod Za vstupním usměrňovačem, který bývá zpravidla identický se střídačem (viz níţe) je stejnosměrný meziobvod. Jsou dva základní typy stejnosměrných meziobvodů: napěťové a proudové. V moderních frekvenčních měničích i tranzistorovými IGBT střídači se pouţívají výhradně napěťové meziobvody, o kterých bude pojednáno dále. Je ţádoucí, aby meziobvod byl napájen dostatečně tvrdým napětím z usměrňovače, tedy aby nedocházelo ke kolísání jeho napětí. Napětí z usměrňovače je zvlněné, hlavní funkcí meziobvodu je tedy jeho vyhlazení. K vyhlazení výstupního napětí usměrňovače se pouţívá v meziobvodu filtr LC (podélná tlumivka a příčná kapacita). C musí být značně veliká, aby zvlnění výstupního napětí bylo co nejmenší. Pouţívají se elektrolytické kondenzátory, u větších výkonů celé skupiny (baterie). L odděluje výstupní napětí usměrňovače od vyhlazeného napětí na vstupu střídače (na svorkách C), vyhlazuje střídavou sloţkou proudu a omezuje proudové nárazy při přechodných dějích Střídač obr obr Elektrické pohony a výkonová elektronika 34

36 Zapojení střídače: IGBT tranzistory V1 V6 se v trojfázovém střídači zapojují do trojfázového můstku se zpětnými diodami V01 V06, které umoţňují rekuperaci a zabraňují přepětí obrázek Provedení je modulové modul tvoří celý můstek. Do tohoto modulu přichází napětí stejnosměrného meziobvodu U d. (U samostatných střídačů napětí stejnosměrného zdroje). Vícehladinové měniče: jsou vhodné pro vyšší napětí. Mají minimálně 3 hladiny (viz obrázek 1.3..). Jsou různé typy, lišící se zapojením (h-můstek, s plovoucími kondenzátory, s upínacími diodami na obr. D0) Výstupní napětí nabývá více hodnot v závislosti na počtu hladin. Zjednodušený výklad pulsně šířkové modulace: aby výstupní napětí střídače pro motor připomínalo sinusovku, coţ je nezbytné pro správnou funkci motoru, je nutno pouţít spínání součástek střídače pomocí pulsně šířkové modulace (Pulse Wide Modulation) PWM. Jde o to,ţe okamţité hodnoty sdruţeného výstupního napětí mohou nabývat pouze tří hodnot: kladné a záporné hodnoty napětí stejnosměrného meziobvodu a nuly. Okamţitá hodnota výstupního napětí střídače má vţdy obdélníkový průběh. Je třeba zajistit, aby jeho střední hodnota, přesněji její první harmonická, byla sinusovka ţádané frekvence i ţádaného napětí. Toto umoţní PWM. Na obrázku je vidět konstrukce první harmonické ţádaného průběhu sdruţeného napětí motoru pomocí PWM s pilovitým průběhem nosné (to je tzv. komparační metoda, jsou ale i jiné způsoby). Frekvence nosné je stálá (spínací frekvence měniče), mění se poměr kladné a záporné části periody (střída či duty factor). obr Změnou velikosti střídy a rychlosti její změny se dá měnit napětí a frekvence první harmonické výstupního napětí střídače. A to jsou veličiny, které jsou podstatné pro řízení motoru (které vnímá motor). Pokud je motor zapojen do hvězdy, jak řečeno výše, sdruţená napětí jsou kladné nebo záporné napětí stejnosměrného meziobvodu U d nebo nula. Fázová napětí potom nabývají hodnot kladné či záporné ⅓ nebo ⅔ napětí stejnosměrného meziobvodu (to plyne ze základních vlastností trojfázové soustavy). Na obrázku je průběh okamţitých hodnot sdruţeného a fázového napětí motoru s proloţenou sinusovkou první harmonické, podle které pracuje motor. Elektrické pohony a výkonová elektronika 35

37 obr Výše uvedené obrázky jsou názorné, ale skutečná spínací frekvence nosné PWM bývá vyšší, např. jednotky khz nebo i přes 0 khz. Skutečný průběh sdruţeného napětí sejmutý z osciloskopu můţe proto vypadat např. podle obr : obr Shrnutí Mezi usměrňovačem a střídačem měniče je stejnosměrný meziobvod, obvykle napěťový. Obsahuje vyhlazovací filtr LC. Ve střídači se pouţívá zapojení spínacích součástek (hlavně IGBT tranzistorů) do trojfázového můstku. 1.5 Kontrolní otázky 1. Jakou funkci má stejnosměrný meziobvod, z čeho se skládá a jak tyto součástky pracují?. Jak by měl být meziobvod napájen a proč? 3. Jak vypadá zapojení IGBT tranzistorů do trojfázového můstku? 4. Co je PWM? 5. Jakých hodnot nabývá fázové a sdruţené napětí na výstupu střídače? 1.6!Úkoly 1. Nakreslete zapojení silových obvodů střídače.. Vypište sled spínání IGBT tranzistorů při průběhu podle obr. 4! Elektrické pohony a výkonová elektronika 36