Řešení NMK s NS
1. Obecná struktura pohonu s napěťovým střídačem Topologicky můžeme pohonný systém s asynchronním motorem, který je napájen z napěťového střídače, rozdělit podle funkce a účelu do následujících částí: a) Napájecí síť Ve většině případů se jedná o třífázovou síť nízkého nebo vysokého napětí (ve zvláštních případech může být frekvence i napětí proměnné), ale napájecí síť může být i stejnosměrná, což je případ trolejového vedení pro tramvaje, trolejbusy nebo vozy metra. b) Vstupní obvody Do těchto obvodů zahrnujeme stykače, jističe, pojistky, vstupní reaktor nebo transformátor, rádiové odrušovací filtry aj. c) Usměrňovačová, resp. rekuperační část V případě tzv. pulsního usměrňovače je obousměrný tok energie zajištěn jedním měničem. d) Kondenzátorová baterie Ta plní funkci zdroje vyhlazeného stejnosměrného napětí pro střídač. e) Střídač Ze stejnosměrného zdroje napětí vytváří střídavé napětí s proměnnou frekvencí. f) Výstupní obvody Do těchto obvodů zahrnujeme jističe, pojistky, výstupní tlumivky, du/dt filtry, sinusové filtry aj. g) Motor se svojí kabeláží Na obr. 1 a 2 je znázorněno principielní uspořádání pohonu s napěťovým střídačem.
Obr. 1 Principielní uspořádání pohonu s napěťovým střídačem
1
Řešení NMK s NS
Obr. 2
Blokové schéma pohonu napájeného z třífázové sítě
a) Napájecí síť Pohony s výkonem 300 kW a výše se připojují na síť vysokého napětí. O maximálním připojitelném výkonu na síť nízkého napětí rozhodují především její zkratové poměry a množství, typy a výkony instalovaných spotřebičů. U pohonů velkých výkonů (1 MW a výše) jsou již používána vícepulsní usměrnění, která redukují zpětně vlivy na síť - především vyšší harmonické proudu - a jsou používány taktéž pro omezení proudového i napěťového zatížení. b) Vstupní obvody - Odrušovací filtr Použití frekvenčních měničů přináší nutnost splňovat normy pro vyzařování (emise) v pásmu 150 kHz až 30 MHz - vyzařování svorkami napájení. Rušení ze síťových svorek může nežádoucím způsobem ovlivnit různé datové linky nebo citlivá čidla. Proto je třeba používat síťové odrušovací filtry. Některé měniče je dnes již mají zabudovány pro použití v průmyslových prostředích, většina frekvenčních měničů je dosud z cenových důvodů neobsahuje.
2
Řešení NMK s NS
Je třeba zdůraznit, že povolené meze rušení pro prostředí obytná jsou mnohem přísnější a tím i odrušení vychází dražší než odrušení pro prostředí průmyslová. Pro prostředí obytná, obchodní a prostory lehkého průmyslu se tedy musí vždy použít externí odrušovací filtr, případně dvojitý odrušovací filtr.
Obr. 3 Zapojení odrušovacího filtru na vstupu měniče O vlivu vstupního reaktoru indukčnosti bude pojednáno v následující kapitole.
2. Srovnání vlastností nepřímého měniče kmitočtu s různými typy usměrňovačů Z pohledu možností rekuperace bude situace rozebrána v kap. 3. Zde je situace analýzována hlediska průběhů napájecího napětí a proudu je zobrazena na obr. 3 a 4.
Obr. 4 Průběhy napájecího napětí a proudu pro usměrňovač a) diodový
b) tyristorový
3
c) tranzistorový - pulzní
Řešení NMK s NS
Obr. 5 Tvar fázového napětí a proudu měniče s diodovým usměrňovačem a napěťovým střídačem Napájecí síť 400 V je používána přibližně do výkonu 250 kW. Větší výkony se připojují na síť vn (6 kV, 10 kV, 22 kV). Největší výkony - 3 MW až 5 MW - se připojují na síť vvn (např. 110 kV). Vlastnosti s pulsním usměrňovačem jsou uvedeny v kap. 3.2.2. Pokud je na vstupu frekvenčního měniče zapojen diodový usměrňovač, je odebírán ze sítě nesinusový proud podle obr. 4 a,b), resp. 6a. Proud totiž teče pouze tehdy, pokud je napětí v síti vyšší než napětí na filtračním kondenzátoru. Tento proud obsahuje poměrně vysoký obsah vyšších harmonických, které frekvenční měnič odebírá ze sítě. Zkreslení proudu vyššími harmonickými (THD) dosahuje 140 % (zejména 5., 7., 11., 13. harmonická). Použitím takzvané síťové tlumivky dojde k filtraci proudu - viz obr. 6 b). Výsledkem použití síťové tlumivky je snížení zkreslení proudu THD na přibližně 40 %.
a)
b)
Obr. 6 Časový průběh vstupního proudu bez a se síťovou tlumivkou Další příznivý vliv této síťové tlumivky je omezení vlivu krátkých napěťových špiček na měnič. Je experimentálně dokázáno, že použití této síťové tlumivky má i velmi příznivý vliv proti poškození frekvenčního měniče vlivem vysokonapěťových špiček z napájecí sítě. Důvodem je zařazení vyšší impedance mezi síť s rušivými špičkami a vstupní usměrňovač Pokud máme vstupní diodový, event. tyristorový usměrňovač, transformátorem prochází proud o velmi nepříznivém průběhu - s poměrně velkou efektivní hodnotou oproti hodnotě střední. Dimenzování transformátoru musí být provedeno s ohledem na tuto skutečnost. Na druhé straně i pro diodový usměrňovač v zapojení dle obr. 4 a) platí, že mezi
4
Řešení NMK s NS
síťovým napájecím napětím UL a první harmonickou fázového proudu IL je velmi malý fázový posuv, tedy účiník 1. harmonické je roven jedné. Indukčnosti na vstupu tedy plní především tyto funkce: a) zmenšuje zvlnění napětí v meziobvodu střídače b) zmenšuje efektivní hodnotu síťových fázových proudů, neboť se zmenšuje amplituda a rozšiřuje délka trvání proudových „kupek" fázových proudů, jak je znázorněno na obr. 5 c) omezuje zkratové proudy d) v menší míře redukuje zpětné působení na napájecí síť v oblasti rádiových frekvencí e) v případě, že napájecí síť je „měkká“ (zkratový výkon je malý), může fázový proud (zejména při větších zatíženích) získat průběh, kdy dojde ke spojení proudových „kupek", tak jak je znázorněno na obr. 5c), event. 6 a vstupní reaktor plní i funkci vstupní komutační tlumivky V praxi jsou používány reaktory s napětí nakrátko uk = 2 % až 4 %.
3. Brzdění asynchronního motoru s měniči kmitočtu V dalším textu se zaměříme na nepřímý měnič kmitočtu s napěťovým střídačem s pulsně šířkovou modulací.
3.1 Brzdění do odporu v DC meziobvodu
Obr. 7 Brzdění do odporu v DC meziobvodu Základní schéma uspořádání při brzdění do odporu je na obr. 7. Brzdění se zúčastňují motor M (jako generátor), střídač S (jako usměrňovač), větev s odporem R a pulsním spínačem P (jako spotřebič) a kondenzátor C. Pokud je pulsní spínač P zapnut, je větev s brzdným odporem R vodivá a protékají proud. Kondenzátor se vybíjí – napětí uc klesá. Po vypnutí pulsního spínače proud ID prochází kondenzátorem a nabíjí ho – napětí uc stoupá. Řízení spínání pulsního spínače je odvozeno pouze od hodnoty napětí uc a je ho úroveň je nastavena cca na 1,2 násobek napětí v normálním stavu (M v motorické oblasti). Znamená to tedy, že po dosažení tohoto napětí dochází k cyklickému spínání pulsního spínače tak, aby napětí uc nestoupalo, ale naopak se pohybovalo v určitých nastavených mezích pod zmíněnou horní hranicí napětí. V ustáleném stavu se na konci spínacího cyklu kondenzátor nabije na hodnotu napětí uc
5
Řešení NMK s NS
rovnou jeho hodnotě na začátku zapnutí spínače P. Analýza tohoto procesu vybíjení a opětné nabíjení kondenzátoru vede na řešení jednoduché diferenciální rovnice. Pro výklad principu postačí zjednodušení, že kolísání napětí uc je malé a tedy napětí uc je konstantní (to předpokládá dostatečně velkou kapacitu kondenzátoru a dostatečně krátkou dobu t1 zapnutí pulsního spínače P). Náboj z kondenzátoru odebraný za dobu t1 se do kondenzátoru vrátí za dobu vypnutí pulsního spínače t2=T - t1, (T je perioda spínání spínače P) Obvod s kondenzátorem C, odporem RB a pulsním spínačem P se tedy chová jako odpor T t1 Zapínacím poměrem t1/T se tedy získá efektivní odpor v teoretickém rozsahu R < RB < ∞. Přitom je třeba si uvědomit, že spínačem P a odporem R při každém zapnutí prochází vždy stejný proud uc/ R. RB = R
Rozsah brzdění Rozsahem brzdění můžeme rozumět momentový rozsah nebo rozsah rychlostní. Momentový rozsah je určen největším proudem motoru nebo měniče, který může být větší než jmenovitý. Za základní rychlostní rozsah považujeme brzdění mezi jmenovitou rychlostí a stáním motoru. Za horní rozsah brzdění považujeme brzdění při rychlosti větší než jmenovité. Možný rozsah brzdění je znázorněn na obr. 8. Zleva je omezen křivkou Mmax, což je křivka daná elektromagnetickými vztahy v asynchronním stroji, tj. magnetickým polem, proudem a jeho fázovým úhlem. Shora je možnost brzdění omezena maximální rychlostí ωmax motoru. Zdola je pole momentových charakteristik omezeno jevy, souvisejícími s možnostmi pulsně šířkové modulace střídače, modulací pulsního spínače odporu a soustavou vyhodnocení veličin pro řízení (velmi malá frekvence a velmi malé hodnoty indukovaných napětí srovnatelné s úbytky v proudovém obvodu). Jak je patrné z obr. 7, není pro brzdění třeba žádný zdroj napětí. V elektrických vozidlech se proto uvedený způsob brzdění řadí mezi nezávislé brzdy. K nabuzení motoru se využije remanentní magnetismus magnetického obvodu rotoru: Po ukončení motorické činnosti (např. odepnutí motoru od stroje) doznívá magnetický tok spolu s proudy vinutí rotoru. Po jejich doznění je rotorem unášen zbytkový (remanentní) magnetický tok. Při otáčení rotoru se ve statorovém vinutí indukuje napětí (můžeme je nazvat remanentní), které regulační obvody využijí k průchodu proudu, kterým se postupně zvětšuje magnetický tok stroje, až dosáhne potřebné velikosti. Toto samonabuzení asynchronního stroje ovšem je proveditelné od určité velikosti remanentního napětí, tedy od určité velikosti remanentního magnetického toku a rychlosti otáčení stroje. Na obr. 8 jsou uvedeny 3 charakteristiky pro 3 velikosti proudu I/IN= 0,5; 1; 1,5. Při brzdění stroje s vlastní ventilací se zatížitelnost při malých rychlostech zmenšuje. Na obrázku uvedené charakteristiky respektují pouze schopnost motoru vytvářet při daném proudu točivý moment, nerespektují však ochlazování motoru. Obvykle se nemusí zhoršené ochlazování při nízkých rychlostech respektovat při brzdění do zastavení, při „provozním" brzdění (např. jízda elektrického vozidla ze svahu), je však nutno zhoršené ochlazování respektovat (viz kapitoly o dimenzování motoru).
6
Řešení NMK s NS
Obr. 8 Momentové charakteristiky při brzdění
3.2 Brzdění rekuperací 3.2.1. Brzdění rekuperací pomocí tyristorového měniče Pro brzdění rekuperací je základní podmínkou, že zdroj je schopen brzděnou energii přijmout. Je-li zdrojem pro motorický chod stejnosměrná síť (městská doprava apod.), může brzděnou energii přijmout za předpokladu, že na téže síti jsou jiné, další spotřebiče, které brzděnou energii využijí. Je-li zdrojem 3 fázová síť, zpravidla bývá schopna brzděnou energii přijmout a dodat ji do dalších spotřebičů. V každém případě při brzdění se stroj stane asynchronním generátorem, motorový měnič (střídač) se stane usměrňovačem, který v případě stejnosměrné sítě jí dodává energii. V případě trojfázové (pro nejmenší výkony jednorázové) sítě se síťový měnič stane střídačem. Ten pracuje bez komutace (při přerušovaných proudech) nebo se síťovou komutací. U nejmodernějších pohonů může jít o střídač s vlastní komutací a šířkově pulsní modulace umožňuje dodávat do sítě proud blízký k jednovlnému harmonickému a s účiníkem blízkým k 1.
Obr. 9 Síťová část měniče kmitočtu s rekuperačním tyristorovým měničem 7
Řešení NMK s NS
Obvyklé uspořádání síťového měniče - můžeme jej nazvat vstupně výstupní část měniče kmitočtu - je na obr. 9. Při motorickém chodu asynchronního stroje je v činnosti usměrňovač A, při brzdění střídač B. Pro dobrý účiník při motorickém chodu usměrňovač A pracuje s úhlem řízení a α = 0, tedy jako diodový usměrňovač. Střídač B však nemůže pracovat s úhlem α = 180°, neboť by se neuskutečnila komutace. Aby stejnosměrné napětí při přechodu do brzdění bylo stejné jako při motorickém chodu, zvyšuje se vstupní střídavé napětí pomocí autotransformátoru cca 0 20 % oproti napětí, které je přiváděno na jednotku usměrňovací. Rozsah rychlosti při brzdění rekuperací je od ωmax do ωN při konstantním napětí na motoru a od ωN až do téměř zastavení při daném brzdicím proudu. Teoreticky je možné dosáhnout brzdicí moment i stojícího motoru tím, že se vytvoří elektromagnetický moment působící proti aktivnímu momentu zátěže (při snižování rychlosti byla točivá rychlost magnetického toku udržována menší než otáčivá rychlost rotoru; pak při nulové rychlosti magnetického toku se musela jeho rychlost zvětšovat v obráceném smyslu). Rozsah brzdicího momentu je prakticky stejný jako při motorickém chodu. 3.2.2. Brzdění rekuperací pomocí pulsního usměrňovače Jednotka pulzního usměrňovač má stejné provedení jako jednotka střídače u měniče kmitočtu s napěťovým meziobvodem – viz obr. 10 (šest řízených spínačů ve třech větvích). Díky tomuto uspořádání je možné – opět pomocí pulsně šířkové modulace – odebírat ze sítě sinusový proud nebo dodávat harmonický průběh proudu ve střídačovém režimu, tj. při brzdění motoru. V tomto případě se obrátí tok energie, takže tato jednotka rekuperuje energii do napájecí sítě. Pro brzdění rekuperací je opět základní podmínkou, že zdroj je schopen brzděnou energii přijmout.
a)
c)
b) Obr. 10 Pulsní usměrňovač – a) zapojení b) průběhy napájecího napětí a proudu (pro motorický režim) c) tok činného a jalového výkonu měniče kmitočtu s pulsním usměrňovačem
8
Řešení NMK s NS
Pulzně řízený usměrňovač může pracovat ve dvou režimech, kdy si můžeme nastavit: a) cos ϕ = konstanta a to jak induktivní nebo kapacitní odběr – tímto způsobem nám může nahradit kompenzační jednotku. b) Q = konstanta můžeme si určit konstantní odběr (dodávku) jalového výkonu. Další výhody uspořádání s pulzním usměrňovačem na vstupu: - je aktivní i při krátkodobém výpadku napájecí sítě - nedochází zde k možnému invertorovému zkratu jako u měničů se síťovou komutací - schopnost vyrovnání poklesu napájecího napětí (pracuje jako zvyšující měnič - napětí v DC meziobvodu je cca o 10 % vyšší než je amplituda sdruženého napětí na vstupu). Tato jednotka se doporučuje v těchto případech: 1. Jsou-li ze strany uživatele požadovány velmi nízké zpětné vlivy, (jiné způsoby snížení zpětných vlivů jsou např.: 12-ti pulzní zapojení, filtračně-kompenzační zařízení nebo aktivní filtry). 2. Když se předpokládají slabé, popř. poruchové napájecí sítě (např. při napájení přes sběrače, při předpokládaných krátkých poklesech napětí sítě apod.).
3.3. Brzdění stejnosměrným proudem Pro brzdění podle názvu se užívá rovněž název brzdění motoru se stejnosměrným buzením. Druhý, méně stručný název lépe popisuje princip: Stejnosměrným proudem spolu s proudem indukovaným v rotoru se vybudí v motoru stojící magnetický tok. V otáčejícím se rotoru se indukuje napětí, které vyvolá v impedanci rotorového vinutí (klece kotvy nakrátko) proud, který spolu s magnetickým tokem vytváří točivý moment působící proti smyslu otáčení, moment brzdicí. Tento způsob brzdění se užívá téměř výhradně pro brzdění do zastavení. Za největší výhodu u pohonů s měniči kmitočtu se považuje, že zařízení pro napájení stejnosměrným proudem, tj. střídač působící jako usměrňovač je k dispozici. Pro brzdění je třeba pouze doplnit vhodný program regulace měniče - nulový kmitočet a nastavení a regulace velikosti proudu. Momentová charakteristika Pro stykačové řízení asynchronních motorů se uvádí několik možností připojení 3 fázového vinutí ke stejnosměrnému zdroji. U pohonů s měničem kmitočtu tento problém odpadá, neboť připojení 3 fázového vinutí zůstává stejné jako při motorickém chodu. Dále se u konvenčních stykačově řízených pohonů uvádí vztah mezi symetrickým trojfázovým proudem a ekvivalentním stejnosměrným proudem pro různá připojení motoru ke stejnosměrnému zdroji. Ekvivalencí se rozumí vytvoření stejného magnetického (magnetomotorického) napětí. Také u frekvenčně řízených pohonů tento problém odpadá, neboť systém regulace proudu motoru je stejný při frekvenčním řízení i při brzdění stejnosměrným proudem (jde vlastně o frekvenční řízení na nulovou frekvenci). Jde tedy o momentovou charakteristiku ω(M) při řízení na nulovém kmitočtu. Motor je napájený stejnosměrným proudem - větve střídače slouží jako stejnosměrné snižovací pulsní měniče. Při brzdění se mění smysl momentu, takže charakteristiky mají tvar podle obr. 11. Jde o II. kvadrant charakteristik ω(M) odpovídající brzdnému chodu. Měnič dodává ztrátový výkon statorového vinutí, indukcí do rotoru vzniká ztrátový výkon ve vinutích rotoru srovnatelně veliký se ztrátovým výkonem statoru. 9
Řešení NMK s NS
Obr. 11 Momentové charakteristiky AM při brzdění stejnosměrným proudem Volba velikosti proudu Z předchozí stati (obr. 11) vyplývá, že při brzdění z rychlosti blízké ke jmenovité a jejím širokém okolí se získá poměrně malý brzdicí moment i při proudu přetěžujícím motor a zejména střídač. Proto je praktické volit proud v rozmezí, které umožňuje střídač (např. dvojnásobek jmenovitého proudu). Přitom je nutno kontrolovat, zda nebyly překročeny podmínky pro přetěžování střídače, tj. velikost přetížení a jeho trvání ve stanoveném časovém intervalu určeném dodavatelem střídače. Z hlediska tepelného přetížení střídače je nutné, aby ihned po ukončení brzdění byl stejnosměrný proud zrušen (u konvenčních pohonů z hlediska oteplení motoru vypnut). Při brzdění velkých setrvačných hmot, tj. při déle trvajícím brzdění je ve střídači (který pracuje jako 3 stejnosměrné pulsní měniče) některá větev přetížena více než druhé dvě větve.
4.Provedení usměrňovačů a napěťových střídačů pro velké výkony Měniče s tříúrovňovým řízením jsou používány pro napájení zejména vysokonapěťových motorů velkých výkonů (1,5 MW a výše). Výrazněji se začínají prosazovat od poloviny devádesátých let 20. století a to díky parametrům vysokonapěťových IGBT tranzistorů. Obvodové schéma s dvanáctipulsním diodovým usměrňovačem je na obr. 11. Tento způsob řízení je vhodný pro vyšší napěťové hladiny, protože zde dochází k rozdělení napětí na dva spínací prvky. Na rozdíl od standardních měničů, kde se k vytvoření výstupního napětí střídače využívají jen dvě napěťové úrovně, se zde získá na kapacitním děliči ještě další potenciál UDC/2 , který umožní dosažení tzv. tříhodnotového výstupního napětí střídače (pro vyšší frekvence).V oblasti nízkých frekvencí lze pak použít poloviční amplitudy napěťových pulzů (menší du/dt, zvlnění apod.). Tento způsob vyžaduje použití většího počtu polovodičových prvků, jak je zřejmé ze schéma zapojení - obr. 12. Praktické použití tohoto zapojení výkonové části je možné: • na výstupní straně měniče u střídače • na vstupní straně měniče u usměrňovače (diodového i pulzně řízeného) Provozní vlastnosti lze shrnou do následujících bodů: • menší napěťové namáhání spínacích prvků • menší spínací ztráty • menší zvlnění výstupního proudu 10
Řešení NMK s NS
Obr. 12 Tříúrovňový napěťový střídač s dvanáctipulsním diodovým usměrňovačem
Tak jako jiné napěťové střídače, i tento může být místo diodového usměrňovače vybaven pulsním usměrňovačem, jehož struktura je na obr. 13.
Obr. 13 Pulsní usměrňovač pro napájení stejnosměrného napěťového meziobvodu
11
Řešení NMK s NS
Na obr. 14 je zapojeni jedné fáze střídače se středem stejnosměrného napěťového zdroje, omezovacími diodami D1 a D2 a tranzistorovými spínači V1 až V4.
Obr. 14
Větev tříúrovňového střídače s fází U
Princip činnosti jedné fáze střídače napětí s tříúrovňovým PWM řízením: Sepnutím VI, V2 je (+) pól napěťového zdroje přiveden na výstupní fázi. Sepnutím V3, V4 je na výstupní fázi přiveden (-) pól napěťového zdroje. Sepnutím V2, V3 je výstupní fáze spojena se středem napěťového zdroje (0). Tříúrovňové řízení znamená, že řízením spínačů VI až V4 se na zátěž přivede nejen plné napětí zdroje, ale i jeho polovina (využitím středního bodu a omezovačích diod Dl, D2). To má pozitivní vliv nejen na harmonické složení výstupního napětí, ale i na absolutní velikost změn napětí na výstupu měniče. Porovnání dvouúrovňového (klasického) řízení měniče, užívaného u nízkonapěťových frekvenčních měničů a tříúrovňového řízení je na obr. 15. Na obr. 16 je navíc vykreslen průběh výstupního proudu měniče při tříúrovňovém řízení. Obsah základní harmonické proudu je zde cca 99 %. Tento údaj i průběh na obr. 15 byl převzat z katalogu měniče SIMOVERT MV (od firmy Siemens).
12
Řešení NMK s NS
Obr. 15 Porovnání výstupních napětí dvouúrovňového a tříúrovňového řízení
Obr. 16 Výstupní napětí a proud měniče při tříúrovňovém řízení
13
