4. nepřímé frekvenční měniče

Nepřímé frekvenční měniče
frequency converter
Nejdůležitější měniče pro pohony asynchronními a synchronními motory.
Účel:
• změna velikosti frekvence a napětí sítě na požadovanou hodnotu pomocí dvojí přeměny el. energie
Užití v pohonech:
• řízení rychlosti asynchronních a synchronních motorů
• elektrické brzdění pohonů
• řízení momentu a úhlu natočení
• rozmanité využití prakticky ve všech oblastech elektrických pohonů
• výtahy, dopravníky
• obráběcí stroje
• čerpadla a ventilátory
• trakční vozidla
• servopohony
• ...
obr.: siemens.com
Nepřímé frekvenční měniče – blokové schéma
Blokové schéma:
Poznámka: u pohonů napájených ze stejnosměrné sítě odpadá usměrňovač.
Odrušovací prostředky:
je třeba jimi doplnit základní obvody
• vstupní LC filtr – zabrání pronikání vysokých frekvencí do sítě
• vstupní tlumivky – potlačují proudové špičky
• výstupní tlumivky – omezují strmost nárůstu napětí
• výstupní sinusový LC filtr – lepší než samotné tlumivky, zaručí téměř sinusové napětí i proud
Nepřímé frekvenční měniče – usměrňovač
Usměrňovač
• přemění vstupní střídavé (jedno nebo častěji trojfázové) napětí na stejnosměrné napětí
• může být neřízený (diodový) nebo řízený (aktivní – tranzistorový) - obrázek
• modul aktivního usměrňovače bývá identický se střídačem
• je zapojen jako trojfázový můstek, osazen tranzistory IGBT a zpětnými diodami
• pracuje v režimu pulsně šířkové modulace
• může zajistit sinusový průběh proudu ze sítě a minimální odběr jalového výkonu
• umožňuje rekuperaci
Nepřímé frekvenční měniče – stejnosměrný meziobvod
Jde o obvod mezi usměrňovačem a střídačem.
Dva základní typy stejnosměrných meziobvodů: napěťové a proudové
• proudové – zdroj proudu, velká sériová tlumivka, u moderních měničů se nepoužívají
• napěťové – zdroj napětí, používají se prakticky výhradně
Napěťový meziobvod
• slouží jako zásobník energie pro střídač
• je žádoucí jeho napájení dostatečně tvrdým napětím z usměrňovače
• pak nedochází ke kolísání jeho napětí
• napětí z usměrňovače je zvlněné, hlavní funkcí meziobvodu je jeho vyhlazení
• vyhlazení napětí usměrňovače – pomocí filtru LC (podélná tlumivka a příčná kapacita)
Nepřímé frekvenční měniče – stejnosměrný meziobvod
Prvky meziobvodu
• C - musí být značně veliká, aby zvlnění výstupního napětí bylo co nejmenší
- používají se elektrolytické kondenzátory, u větších výkonů celé skupiny (baterie)
• L - odděluje výstupní napětí usměrňovače od vyhlazeného napětí na vstupu střídače (na C)
- vyhlazuje střídavou složkou proudu
- omezuje proudové nárazy při přechodných dějích
Doplňkové prvky
• brzdový rezistor – pro brzdění pohonu do odporu
• rezistor je spínán pulsně tranzistorem T opatřeným zpětnou diodou
Nepřímé frekvenční měniče – stejnosměrný meziobvod
obr.: pohonnatechnika.cz
kondenzátory filtru (1)
obr.: directiindustry.com
brzdové rezistory
Nepřímé frekvenční měniče – střídač
Jde o nejdůležitější výkonový prvek - vytváří požadovaný průběh napětí pro motor.
• napěťový střídač – je nejrozšířenější (VSI - Voltage Source Inverter)
Zapojení:
• trojfázový můstek s IGBT tranzistory T1 – T6 se zpětnými diodami D1 – D6
• diody umožňují rekuperaci a zabraňují přepětí
• alternativní součástkou k tranzistorům IGBT jsou tyristory IGCT, výhodnější pro nejvyšší výkony
• provedení je modulové – modul tvoří celý můstek
• do střídače přichází napětí stejnosměrného meziobvodu Ud
• mezi jednotlivými fázemi motoru se podle spínací kombinace tranzistorů objevují různá napětí
• okamžitá hodnota výstupního napětí je závislá na napětí meziobvodu a na spínací kombinaci
• mezi fázemi výstupu mohou být napětí:
• +Ud
• -Ud
•0
Nepřímé frekvenční měniče – střídač
Vícehladinové střídače
• jsou vhodné pro vyšší napětí
• mají minimálně tři hladiny (na obr.)
• počet hladin se určuje podle napětí mezi výstupní svorkou střídače a středem meziobvodu
• jsou různé typy, lišící se zapojením, např. s upínacími diodami D0
• na výstupu mohou být sdružená napětí:
• +Ud
• +Ud/2
• -Ud
• -Ud/2
•0
Nepřímé frekvenční měniče – střídač
obr.: ebay.de
obr.: mikrocontroller.net
modul střídače jedné fáze
trojfázový modul
modul s paralelně
řazenými IGBT
obr.: elektronikpraxis.vogel.de
Nepřímé frekvenční měniče – pulsně šířková modulace
• okamžitá hodnota výstupního napětí střídače pro motor má vždy obdélníkový průběh
• motor vyžaduje sinusový průběh napětí a proudu
• aby střední hodnota napětí střídače sledovala sinusovku, je nutno použít spínání
střídače pomocí pulsně šířkové modulace (Pulse Wide Modulation) PWM
• nosná má stálou frekvenci a různou střídu - duty factor (poměr kladné a záporné části)
• střední hodnota, přesněji její první harmonická, je sinusovka žádané frekvence
• konstrukce první harmonické sinusovky trojúhelníkovitým průběhem nosné:
Nepřímé frekvenční měniče – pulsně šířková modulace
• konstrukce první harmonické sinusovky pilovitým průběhem nosné:
Nepřímé frekvenční měniče – pulsně šířková modulace
• změna frekvence (a napětí) - změnou velikosti střídy a rychlosti její změny
• to jsou veličiny, které jsou podstatné pro řízení motoru (které „vnímá“ motor)
Sdružená a fázová napětí motoru
• sdružená napětí: kladné nebo záporné napětí meziobvodu Ud nebo nula
• fázová napětí (zapojení do hvězdy): kladná či záporná ⅓ Ud nebo ⅔ Ud
• to plyne ze základních vlastností trojfázové soustavy
• průběh okamžitých hodnot sdruženého uUV a fázového napětí uU motoru
• proložena je sinusovka první harmonické (uUV', uU') podle které pracuje motor
Nepřímé frekvenční měniče – pulsně šířková modulace
• výše uvedené obrázky jsou názorné
• skutečná spínací frekvence nosné PWM však bývá vyšší, např. jednotky kHz nebo i přes 20 kHz
• skutečný průběh sdruženého napětí sejmutý z osciloskopu může proto vypadat např. takto:
Nepřímé frekvenční měniče – skalární řízení, U/f křivky
Princip skalárního řízení otáček:
• řízení změnou frekvence podle známého vztahu pro otáčky asynchronního motoru
60 f
n ns (1 s)
(1 s)
p
• otáčky jsou přímo úměrné frekvenci
• podle transformátorové rovnice
U
Ui
4,44 fNkv
• pokud by se měnila pouze frekvence a nikoliv napětí, znamenalo by to změnu magnetického toku
• tok by měl být stejný nebo se měnit podle jiných hledisek
• při nárůstu toku by motor byl přesycován a rostl by neúměrně magnetizační proud
• při poklesu toku by zase klesal moment motoru
Z výše uvedených skutečností plyne, že současně se změnou frekvence musí měnič měnit také napětí
(efektivní hodnotu výstupního PWM napětí).
U/f křivky
• jsou to závislosti napětí na frekvenci měniče U = f(f) (skalární řízení - V/f control)
Nepřímé frekvenční měniče – skalární řízení, U/f křivky
1. Lineární U/f křivka
• pro běžné pohony
• má-li magnetický tok být konstantní, což se požaduje
u většiny pohonů, musí se měnit napětí s frekvencí lineárně
• U/f křivka je tedy přímka
• je možno nastavit zvýšení napětí při nízkých frekvencích (voltage boost) pro zvýšení záběrného
momentu (červeně)
2. Lineární křivka s FCC
• výše uvedené tvrzení platí pouze přibližně
• odpor a rozptylová reaktance statoru vyvolává úbytky napětí a indukované napětí není rovno
svorkovému, ale je o něco menší
• úbytky napětí lze kompenzovat zvýšením napětí měniče
• toto řízení se označuje FCC (flux current control)
• je vhodné pro menší motory, které mají relativně větší odpor statorového vinutí
Nepřímé frekvenční měniče – skalární řízení, U/f křivky
3. Kvadratická U/f křivka
• pro pohony s ventilátorovou charakteristikou zátěže (ventilátory, odstředivá čerpadla atd.)
• není nutné, aby motor pracoval při nízkých otáčkách s plným magnetickým tokem,
protože moment zátěže je malý
• motor se při nízkých frekvencích částečně odbudí snížením toku
• při vyšších otáčkách moment kvadraticky roste a tok se musí také zvyšovat
• toto zajistí kvadratická či parabolická U/f křivka, kde napětí roste s kvadrátem frekvence
• i tato křivka má modifikaci s FCC
4. Programovatelné U/f křivky
• lze naprogramovat podle požadavku uživatele
• např. pro úpravu průběhu momentu pro pohony s těžkým rozběhem
Nepřímé frekvenční měniče – skalární řízení, U/f křivky
Kompenzace kolísání otáček při změně zatížení
• otáčky a skluz závisejí na zatížení
• skluz se mění od jmenovité hodnoty (jednotky %) při In až k nule při chodu naprázdno
• otáčky se mění od jmenovité hodnoty nn až k synchronním ns
n
ns (1 s)
60 f
(1 s)
p
• závislost otáček na skluzu není nijak výrazná a pro běžné pohony ji lze pominout
• při změně zatížení (a konstantní frekvenci) se mohou otáčky změnit o několik procent
Nepřímé frekvenční měniče – skalární řízení, U/f křivky
Kompenzace skluzu - vylepšené skalární řízení
• pokud by z nějakého důvodu tato nepřesnost vadila, lze skalární řízení vylepšit
• při rostoucím zatížení se výstupní frekvence měniče nepatrně zvýší
• tak se vykompenzuje pokles otáček vlivem změny zatížení
Zvýšení frekvence ke kompenzaci poklesu otáček - pomocí otáčkové nebo proudové zpětné vazby:
1. zajistí ho regulátor otáček (porovná žádanou a skutečnou hodnotu otáček)
• velmi přesná metoda, ale vyžaduje snímač otáček
• není to úplně běžné ani jednoduché opatření
2. je předdefinováno podle nárůstu proudu
• proud roste se zatížením
• na základě jeho velikosti, kterou měří měnič, se upravuje mírně výstupní frekvence měniče
• pak se otáčky vrátí na žádanou hodnotu
obr.: blumenbecker.cz
Nepřímé frekvenční měniče – vektorové řízení
Princip
• oddělené řízení momentu M a celkového magnetického toku
tím se dosáhne podobně vynikajících vlastností jako u stejnosměrného cize buzeného motoru
ten je z hlediska řízení nejlepším druhem elektromotoru
• používá se PWM (na rozdíl od přímého řízení momentu)
• moment je úměrný momentotvorné (činné) složce statorového proudu Ič
• tok je úměrný tokotvorné (jalové) složce Ij
• často se označuje
• jalová složka jako podélná Id
• činná jako příčná Iq
• celkový magnetický tok stroje je
• podélná osa je d, příčná q
Nepřímé frekvenční měniče – vektorové řízení
Měření toku a momentu
• největší problém: měření skutečného toku ve stroji
• je potřeba matematického modelu stroje
• nejvíce jsou používány tyto modely stroje:
1. I – n; měří se statorové proudy a otáčky rotoru pomocí snímače (otáčková zpětná vazba – closed
loop vector)
2. U – I; měří se statorové proudy a napětí (open loop vector) – obvyklejší, na obrázku
Nepřímé frekvenční měniče – vektorové řízení
• skutečný moment a skutečný tok se vypočítává neustále procesorem z naměřených veličin
• skutečný tok a moment se porovnává se žádanými hodnotami (s hvězdičkou)
• jejich rozdíl (regulační odchylka) se přivádí do regulátorů toku a momentu
• regulátory dále vypočítají potřebné údaje pro pulsně šířkový modulátor
• modulátor nastavuje U a f potřebné k dosažení žádaného toku a momentu
• řízení momentu může být nadřazená regulace otáček (with speed cotroller)
Nepřímé frekvenční měniče – vektorové řízení
• při vektorovém řízení se dá např. udržovat tok a regulovat moment (třeba i skokem)
• příklad: změna proudu při skokové změně momentu
mění se momentotvorná složka proudu, tokotvorná nikoliv
Nepřímé frekvenční měniče – přímé řízení momentu
• metoda z osmdesátých let 20. století; průmyslově se využívá v posledních dvaceti letech
Direct Torque Control - DTC
Princip
• prostorový vektor magnetického toku motoru se řídí takovým způsobem,
aby bylo dosaženo žádaných hodnot magnetického toku i momentu
• nepoužívá se PWM (pulsně šířkové modulace)
• prostorový vektor toku se pohybuje v tolerančním pásmu (mezikruží) po zadané křivce
• je třeba rychle spočítat, jak se má v každém kroku změnit moment (zvýšit – snížit)
a jak se má pohybovat tok
• podle toho se sepnou příslušné spínací prvky střídače
• napěťový vektor u má 6 poloh,
sedmá je nulová - zkratování motoru přes střídač
Nepřímé frekvenční měniče – přímé řízení momentu
Vznik prostorového napěťového vektoru
• např. sepnutím spínačů 1, 2, 6 se přivede na fáze A a B motoru kladné
a na fázi C záporné napětí
• protože na fázích A a B je +⅓U (napětí meziobvodu) a na fázi C -⅔U,
má napěťový vektor polohu u6
Nepřímé frekvenční měniče – přímé řízení momentu
Změna toku a momentu
• u1, u2, u6 tok zvýší, u3, u4, u5 sníží, při nulovém vektoru u0 se zastaví (je konstantní)
• při u2, u3, u4 je moment M kladný, při u1, u5, u6 a také u0 záporný
Nepřímé frekvenční měniče – přímé řízení momentu
Řízení střídače
• v měniči je vytvořen matematický model motoru U – I (neměří se otáčky)
• procesor vypočítává ze změřených hodnot skutečný tok a moment
• skutečný tok a moment se porovná se žádanými hodnotami
• regulátory toku a momentu jsou dvoupolohové (zvýšit – snížit)
• logický spínací člen vybere vždy nejvhodnější prostorový napěťový vektor
• ten posouvá statorový tok takovým směrem, aby se zajistil žádaný tok a moment
• výhoda DTC: velmi krátká časová odezva - řádově ms
Nepřímé frekvenční měniče – další vlastnosti
Rozběhové a doběhové rampy
• rozběhová rampa je závislost frekvence na čase, vzniká tedy při každém rozběhu
• často je třeba tuto rampu nastavit cíleně podle pohonu (výtah, dopravník),
aby nedošlo k nežádoucím jevům (velké přetížení osob ve výtahu)
nebo dokonce poškození (přetržení dopravníku)
• rampa souvisí s velikostí proudu, při nesouladu vzniká chyba,
maximální proud nelze překročit
• frekvenční měniče umožňují nastavit rampy různých tvarů, nejčastěji jsou lineární,
S nebo U (obrázky)
• tvar se nastavuje v závislosti na aplikaci a požadované dynamice
• u obvyklých zátěží stačí použít rampu lineární, u specifických pracovních strojů
se může nastavit typ S či U s měnitelným koeficientem zakřivení
Nepřímé frekvenční měniče – další vlastnosti
• také doběhová rampa je závislost frekvence na čase, vzniká při každém doběhu a brzdění
• platí podobná fakta jako pro rozběhové rampy
Nepřímé frekvenční měniče – další vlastnosti
Elektrické brzdění
• frekvenční měniče umožňují obvykle brzdění do odporu, někdy také rekuperací
kinetická energie pohonu se při brzdění mění na elektrickou a dále na teplo či se vrací do sítě
Brzdění do odporu
• brzdicí odpor je umístěn v meziobvodu a spínán pulsně tranzistorem
• brzdění se zúčastňují motor jako generátor, střídač jako usměrňovač, větev s odporem R
a spínačem T jako spotřebič a kondenzátor C také jako zdroj jalového výkonu pro stroj
• je-li T zapnut, prochází odporem proud, kondenzátor se vybíjí
• je-li T vypnut, proud ze stroje nabíjí kondenzátor
• řízení spínání T je odvozeno pouze od hodnoty napětí meziobvodu Ud
• Ud bývá o něco vyšší než v motorovém režimu
• T se cyklicky spíná, aby okamžitá hodnota napětí ud kolísala nepatrně kolem Ud
obr.: megaresistors.com
brzdový rezistor
Nepřímé frekvenční měniče – další vlastnosti
Brzdění rekuperací
• energie se vrací do zdroje – sítě
• zdroj musí být schopen energii přijmout
• při brzdění pracuje motor jako generátor, střídač jako usměrňovač, usměrňovač
jako střídač (musí být pulsní, řízený)
• snížením frekvence střídače se stroj dostane (ovšem pro novou frekvenci)
do nadsynchronních otáček, tj. do generátorického režimu
• v pulsním usměrňovači (ve funkci střídače) lze pomocí PWM zajistit
prakticky sinusový proud do sítě
• lze rovněž řídit jalový výkon – nastavit kapacitní, induktivní či nulový
Nepřímé frekvenční měniče – další vlastnosti
Brzdění stejnosměrným proudem
• do statoru se přivede ze střídače stejnosměrný proud potřebné velikosti
• střídač se chová jako snižující pulsní měnič
• v motoru se vytvoří stojící magnetický tok, který indukuje do rotoru napětí a proud
• proud rotoru mění energii pohonu na teplo
• podle velikosti brzdicího proudu může být motor velmi tepelně namáhán
• lze brzdit (na rozdíl od ostatních způsobů) až do úplného zastavení
Ovládání měničů
měniče lze ovládat podle potřeby různými způsoby:
• ručně přímo na měniči nebo ze vzdáleného operačního panelu
• analogově (např. stejnosměrným napětím 0 - 10 V)
• digitálně z počítače přes nějaký typ rozhraní
• nespojitě pomocí kontaktů (relé, spínače)
obr.: aliexpress.com
Střídavé měniče napětí
Jde o měniče efektivní hodnoty střídavého napětí při stálé frekvenci.
Účel:
• změna velikosti střídavého síťového napětí pomocí fázového řízení tyristory či triaky
Užití v pohonech:
• spouštění asynchronních motorů sníženým napětím - softstartéry
• regulace otáček jednofázových komutátorových motorů
obr.: ibuyla.com
obr.: thomasnet.com
Střídavé měniče napětí
Trojfázový střídavý měnič napětí – softstartér
• jde o snížení napětí při rozběhu asynchronního motoru kvůli omezení záběrného proudu
• v každé fázi jsou zapojeny antiparalelně dva tyristory
• pomocí fázového řízení se mění efektivní hodnota napětí na výstupu (červeně – okamžité hodnoty)
• zátěž je odporově induktivní – tyristory vypínají až při poklesu proudu k nule, napětí je již opačné
• řídící úhly tyristorů se nastavují podle velikosti proudu motoru snímaného měřicími transformátory
Střídavé měniče napětí
• během rozběhu asynchronního motoru se postupně zvyšuje napětí
• kickstart – krátké zvýšení napětí na začátku rozběhu pro překonání klidového momentu („odlepení“)
(červeně)
• softstart lze použít jen pro lehký rozběh – při sníženém napětí má motor malý moment (M ~ U2)
• pokud se nevyžaduje regulace otáček, ale jen rozběh, může nahradit mnohem dražší frekvenční měnič
• doba rozběhu tr – do dosažení Un
• po rozběhu je možno přemostit měnič např. stykačem
Střídavé měniče napětí
Triakový regulátor napětí
• jde o regulaci otáček jednofázového sériového komutátorového motoru napětím
• obvykle jde o malé výkony max. jednotek kW
např. domácí spotřebiče – vysavače, fény, mixéry...
• pomocí fázového řízení triaku T se mění efektivní hodnota napětí motoru a tím i otáčky
• momentová charakteristika závisí na napětí a je měkká
• průběhy napětí a proudu se podobají softstartéru
• řídicí obvod může být principiálně velmi jednoduchý (červeně):
• triak T se spíná otevřením diaku D
• diak se otevře po dosažení určitého napětí na C
• C se nabíjí přes R s časovou konstantou RC v závislosti na nastavené hodnotě R
Užití měničů
Stejnosměrné pohony
1. řízené usměrňovače (či čtyřkvadrantové reverzační měniče)
• průmysl – jsou na ústupu, nicméně zůstávají v řadě aplikací, stále se vyrábějí
tyristorové měniče, nověji je analogové řízení nahrazováno mikroprocesorovým
řízený usměrňovač
4x3500 A
obr.: transrech.de
Užití měničů
Stejnosměrné pohony
2. pulsní měniče
• oblasti s dominantním postavením - automobilový průmysl,
menší dopravní prostředky, zařízení napájená z akumulátorů
• klasické zpětně závěrné tyristory byly vytlačeny u malých výkonů
spínacími tranzistory, u větších výkonů (trakce) vypínacími tyristory (GTO),
častěji tranzistory IGBT, někdy tyristory IGCT
• motory menších výkonů bývají s permanentním buzením, měnič napájí jen kotvu
malý pulsní měnič
0 – 28 V, 3 A
obr.: dx.com
Užití měničů
Pohony asynchronními motory
1. střídavé měniče napětí - softstartéry
• měkký rozběh při malém momentu zátěže (relativně levné)
2. cyklokonvertory (i synchronní motory)
3. podsynchronní kaskády
• speciální použití pro velké výkony
obr.: siemens.com
cyklokonvertor pro těžní stroj
obr.: weg.net
softstartér 400 V, 85 A
Užití měničů
4. nepřímé frekvenční měniče
• průmysl - největší rozšíření, standardní řešení s tranzistory IGBT ve střídači
i usměrňovači, někdy IGCT tyristory
• el. trakce - rychlý rozvoj; nově se vozidla osazují již jen asynchronními
či synchronními motory
• při napájení ze stejnosměrné sítě odpadá usměrňovač
obr.: frecon.cz
vysokonapěťový frekvenční měnič 10 kV, 11 kVA
Užití měničů
Pohony synchronními motory
nepřímé frekvenční měniče
• obdobné asynchronním motorům
• servopohony pro automatizaci a robotiku - výkonová část jako obvyklý měnič,
trochu odlišné vektorové řízení; motory bývají s permanentním magnetem
obr.: delta-com.tw
synchronní servomotory s měniči
Užití měničů
Pohony komutátorovými jednofázovými motory
střídavé měniče napětí
• řízení otáček malých motorů napětím, obsahují triak nebo antiparalelní tyristory
• rozmanité pohony drobných spotřebičů (ruční nářadí, fény, kuchyňské přístroje...)
obr.: engineersgarage.com
obr.: asia.ru
triakový regulátor otáček a jednofázový komutátorový motor
Test – měniče 2

Skupina A

Skupina B

Nakreslete a popište blokové schéma
nepřímého frekvenčního měniče.
Vysvětlete
princip
pulsně
šířkové
modulace.
Co jsou U/f křivky a jaké jsou jejich
hlavní druhy?
Kolik poloh má prostorový napěťový
vektor při přímém řízení momentu?
Vysvětlete brzdění asynchronního motoru
do odporu.

Nakreslete zapojení trojfázového střídače
osazeného IGBT.
Jaké velikosti nabývají sdružená a fázová
napětí motoru zapojeného do hvězdy?
V čem spočívá princip vektorového řízení
střídače?
Nakreslete
lineární
rozběhovou
a
doběhovou rampu.
Vysvětlete brzdění asynchronního motoru
rekuperací.








frekvenční měniče
Siemens
obrázky: siemens.com