POLOVODIČOVÉ MĚNIČE Měniče mění parametry elektrické energie (vstupní na výstupní). Myslí se tím zejména napětí (u stejnosměrných střední hodnota) a u střídavých efektivní hodnota napětí a kmitočet. Obr. 1. Základní dělení měničů 1
Obr. 2. Základní dělení měničů vč. vyznačení smyslu výkonu 2
1. Měniče pro napájení stejnosměrných motorů 1.1. Řízené tyristorové usměrňovače Jednofázové můstkové zapojení Obr. 3. Základní zapojení jednofázového můstkového usměrňovače vč. průběhů Výstupní napětí měniče je zvlněné, takže proud v kotevním obvodu motoru napájeného z tyristorového usměrňovače je rovněž zvlněný. Pokud je proud nepřerušený, tj. jeho okamžitá hodnota neklesne na nulu, je možno řízený usměrňovač formálně nahradit napěťovým zdrojem s vnitřním napětím, s ohmickým odporem R i a indukčností L i. Vnitřní napětí dα tvoří střední hodnota usměrněného napětí naprázdno při úhlu řízení tyristoru α kde d0 je napětí naprázdno při úhlu α=0. q je počet pulzů v průběhu usměrněného napětí během jedné periody střídavého napájecího napětí. Závislost dα = f (α) pro nepřerušený proud je řídicí charakteristikou měniče naprázdno (obr. 4.). 3
Obr. 4. Řídicí charakteristika tyristorového řízeného usměrňovače Výše uvedená rovnice pro střední hodnotu výstupního napětí a její grafická interpretace na obr. 4 platí i pro následující zapojení řízených usměrňovačů. Protože napětí na jejich výstupu mohou být v obou polaritách (chod v usměrňovačovém i střídačovém režimu) a proud pouze v polaritě jedné, jedná se o tzv. dvoukvadrantové měniče. Trojfázové uzlové zapojení Je-li k dispozici trojfázová napájecí síť, využívají se převážně trojfázové usměrňovače, neboť jejich výstupní napětí je zvlněno méně, než u usměrňovačů jednofázových. Trojfázový uzlový usměrňovač vytváří usměrněné napětí ze tří fázových napětí. Na obr. 5. a) je uvedeno připojení usměrňovače na výstup napájecího transformátoru a příklad průběhu výstupního napětí u ď. V současnosti se příliš nevyužívají. Trojfázové můstkové zapojení Obr. 5. Zapojení trojfázového uzlového usměrňovače V trojfázových napájecích soustavách se jedná o nejčastěji používané zapojení (obr. 6. a). Trojfázový můstkový usměrňovač vytváří usměrněné napětí ze šesti sinusových průběhů -ze tří sdružených napájecích napětí a tří sinusových napětí posunutých oproti sdruženým napětím o 180. Při řídicím úhlu α = 0 je tvořeno výstupní napětí kladnou obálkou zmíněných šesti sinusových průběhů. Příklad průběhu výstupního napětí je na obr. 6. b). 4
Obr. 6. Zapojení trojfázového můstkového usměrňovače Čtyřkvadrantové reverzační řízené usměrňovače Měnič tohoto typu může pracovat ve všech čtyřech kvadrantech pracovní charakteristiky. Napětí a proud zátěží je možný v obou polaritách, z čehož vyplývá plná možnost práce stejnosměrného stroje v obou směrech otáčení včetně jeho brzdění. Na základě těchto předpokladů bývají čtyřkvadrantové měniče také označovány jako reverzační. Variant zapojení jejich silových částí je mnoho, nejpoužívanější je však tzv. antiparalelní zapojení dvou dvoukvadrantových měničů s reverzací napětí. Schéma zapojení je na obr. 7. Obr. 7. Schéma zapojení reverzačního řízeného usměrňovače 5
1.2. Stejnosměrné měniče napětí (pulzní měniče) Jednokvadrantový (tzn. produkuje na výstupu tj. motoru napětí a proud pouze jedné polarity) pulzní měnič dle obr. 8. s PWM (pulzně šířková modulace) dle obr. 9. + I a VT1 d VD1 M PM Obr. 8. Zapojení jednokvadrantového pulzního měniče r, p r p pmax t I a PM, I a d T 1 T 2 T PM, I a I a i d Obr. 9. Průběhy veličin při PWM řízení jednokvadrantového pulzního měniče pro spojitý a přerušovaný proud Střední hodnota výstupního napětí je zřejmá z obr. 9. T 1 r d s = d = d = r = T p max pmax Je tedy přímo úměrná řídicímu napětí. K r Na obr. 10. je zapojení čtyřkvadrantového pulzního měniče používaného pro napájení zejména stejnosměrných servomotorů s permanentními magnety 6
d + VT1 VD1 I a PM M VT2 VD2 VT3 VT4 VD3 VD4 Obr. 10. Zapojení čtyřkvadrantového pulzního měniče VT1 VT2 VT3 VT4 r, p 0 r pmax t p T 1 T 2 T PM, I a 0 VT1 VT4 I a VD3 VD2 d PM, I a 0 VD1 VD4 I a VT1 VT4 VD3 VD2 VT3 VT2 d Obr. 11. Průběhy veličin při bipolárním obousměrném řízení čtyřkvadrantového pulzního měniče Střední hodnota výstupního napětí je zřejmá z obr. 11. Lze odvodit stejný vztah jako pro jednokvadrantový pulzní měnič T 1 r d s = d = d = r = T p max pmax K Střední hodnota výstupního napětí je tedy opět přímo úměrná řídicímu napětí. r 7
2. Měniče pro napájení střídavých motorů 2.1. Střídavé měniče napětí Střídavé měniče napětí jsou používány k řízení napětí a tím i proudu a výkonu na střídavé straně zátěže. Zastupují v podstatě funkci plynule regulovatelného snižovacího transformátoru. Používají se zejména pro řízení výkonu elektrotepelných spotřebičů (elektrické odporové pece, domácí tepelné spotřebiče), pro řízení svítivosti svítidel, pro měkké spouštění střídavých motorů velkých výkonů a pro řízení rychlosti univerzálních komutátorových motorů. Dále můžeme jmenovat svařování a tavení kovů. Většímu využití v pohonářské technice však zabránila skutečnost, že se snižujícím napětím se kvadraticky snižuje moment motoru. Obr. 12. Jednofázový měnič střídavého napětí Obr. 13. Proud a napěti zátěže L u jednofázového měniče střídavého napětí Třífázové střídavé měniče napětí se kromě již uvedených aplikací používají k řízení primárního napětí transformátoru, napájejícího vysokým napětím nebo velkým proudem přes diodový usměrňovač stejnosměrnou zátěž na sekundám transformátoru. Zátěž třífázového měniče může být spojena do Y nebo do D. Základní zapojení obou měničů je na obr. 14. 8
2.2. Nepřímé měniče kmitočtu Obr. 14. Trojfázový měnič střídavého napětí Nepřímé měniče kmitočtu přenášejí výkon mezi dvěma systémy rozdílné frekvence. Nepřímý měnič kmitočtu se skládá z usměrňovače, který vstupní střídavé napětí a proud o vstupním kmitočtu f 1 usměrní a ze střídače, který usměrněné napětí a proud rozstřídá na požadovaný kmitočet f 2. Vstupní a výstupní obvody jsou odděleny stejnosměrným meziobvodem. Tím je umožněno řízení výstupní frekvence nezávisle na kmitočtu vstupním. 2.2.1. Nepřímý měnič kmitočtu s proudovým střídačem Základní uspořádání měniče kmitočtu s proudovým střídačem je na obr. 15. Stejnosměrný obvod obsahuje tlumivku L r Proud ve stejnosměrném obvodu je díky této velké indukčnosti tlumivky téměř ideálně vyhlazen. směrňovač je nejčastěji plně řízený, zpravidla třífázový v můstkovém spojení. Pro zaručení energetické obousměrnosti stačí dvoukvadrantové provedení. Střídač je proudový, zpravidla třífázový, ale může být i jednorázový. Řízení je pulzně šířkové, může být i obdélníkové. Obr. 15. Struktura nepřímého měniče kmitočtu s proudovým střídačem 9
i a i b i c a b c M 3 L VT Obr. 16. Schéma zapojení měniče kmitočtu s proudovým střídačem i a θ i b θ i c θ Obr. 17. Spínací diagram a průběhy fázových proudů motoru při napájení z proudového střídače (idealizované průběhy) 10
Obr. 18. Změřený průběh fázového proudu ve stavu naprázdno při 1000 ot/min Obr. 19. Změřený průběh fázového proudu během brzdění při I dmax = 7,6 A Měřítka pro změřené průběhy: n z, n s : 1 dílek odpovídá 800 ot/min I z : 1 dílek odpovídá 4,6 A I s : 1 dílek odpovídá 5 A 2.2.2. Měnič kmitočtu s napěťovým střídačem V moderních pohonech se používají ve většině aplikací napěťové střídače. V současné době se používají nejvíce měniče v uspořádání, které je znázorněno na obr. 20. Na vstupu měniče je neřízený usměrňovač, což je konstrukčně i ekonomicky nejvýhodnější. Ve stejnosměrném meziobvodu je velký kondenzátor. Ten lze považovat za zátěž pro usměrňovač a současně jako zdroj energie pro napěťový střídač. Spínače VT1 až VT6 jsou pro malé a střední výkony tvořeny nejčastěji tranzistory IGBT a pro velké výkony GTO tyristory. 11
Obr. 20. Struktura nepřímého měniče kmitočtu s napěťovým střídačem Zapojení samotného napěťového střídače je pak na obr. 21. + VT1 VT3 VT5 d VT4 VD1 VT6 VD3 VT2 VD5 a b c VD4 VD6 VD2 Obr. 21. Schéma zapojení napěťového střídače Obdélníkové řízení Pro vysvětlení je vhodné klasické šestipulzní zapojení. Výsledek nejjednoduššího spínacího algoritmu dle obr. 22. ukazuje na průběhu sdruženého napětí a proudu následující obr. 23.. Vzhledem k jednoduchosti spínání není možné měnit amplitudu základní harmonické výstupního napětí. Pokud by byl tedy tímto způsobem napájen as. motor, bylo by nutné řídit napětí na vstupu do střídače. Obr. 22. Obdélníkové řízení trojfázového napěťového střídače 12
Obr. 23. Časové průběhy výstupního napětí a proudu u trojfázového napěťového střídače s obdélníkovým řízením Pulzně šířková modulace Jde o nejčastější způsob řízení napěťových střídačů, umožňující současnou změnu výstupního kmitočtu a základní harmonické výstupního napětí (obě veličiny řídíme přímo ve střídači). Požadovaný průběh získáme vkládáním nulových stavů (mezer). Na obrázku 24 je průběh sdruženého napětí, jehož obálku tvoří průběh pro obdélníkové řízení, a proudu s podstatně vyšším obsahem základní harmonické. Obr. 24. Časové průběhy výstupního napětí a proudu u trojfázového napěťového střídače s pulzně šířkovou modulací Vstupní zadávací veličinou pro modulaci mohou být např. přímo hodnoty generovaných sinusových napětí v jednotlivých fázích. Tyto jsou komparovány (porovnávány) s pilovitým napětím (viz obr. 25.) o kmitočtu řádu jednotek až desítek khz. Na základě výsledku komparace jsou pak spínány tranzistory tak, že vytvoří pulzní průběh napětí na svorkách motoru. 13
Obr. 25. Realizace pulzně šířkové modulace V následujícím obrázku je zobrazen skutečný, změřený průběh napětí a proudu v jedné fázi asynchronního motoru při napájení z napěťového střídače s pulzně šířkovou modulací o modulačním kmitočtu 2,7 khz a dvou výstupních kmitočtech, 10 a 50 Hz. 14
Obr. 26. Časové průběhy fázových napětí a proudů pro dvě různé hodnoty výstupního kmitočtu 15
2.3. Přímé měniče kmitočtu - cyklokonvertory Pro úplnost se zde zmíníme o těchto měničích, přestože jejich uplatnění je daleko menší než u nepřímých měničů kmitočtu, zejména s napěťovým střídačem. Je to způsobeno několika důvody: - Výstupní kmitočet cyklokonvertoru je z principu vždy podstatně nižší než kmitočet vstupní (v praxi poloviční nebo i menší) - Z důvodu velkého počtu tyristorů se hodí zejména na velké výkony - Dynamika těchto měničů je horší než u tranzistorových napěťových střídačů Hodí se zejména pro napájení synchronních motorů s budicím vinutím, které jsou využívány u pomaluběžných střídavých pohonů velkého výkonu. Trojfázový cyklokonvertor sestává ze tří čtyřkvadrantových řízených tyristorových usměrňovačů v antiparalelním zapojení dle obr. 27.a, resp. b. a) Napájení ze společného sekundárního b) Napájení přes tři samostatná sekundární vinutí a s odizolovanými fázemi motoru vinutí s propojeným uzlem Obr. 27. Zapojení trojfázového cyklokonvertoru 16
u ck i s t T bp t úsek: 4 5 6 1 2 3 4 Obr. 28. Průběh veličin tzv. lichoběžníkového cyklokonvertoru při zátěži R, L 17