Frekvenční měniče Tyristorové měniče (klasické): o přímé frekvenční měniče – cyklokonvertory o podsynchronní kaskády Nepřímé frekvenční měniče
Přímé frekvenční měniče (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 (RL zátěţ) 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. 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 více.
© Ing. Pavel Kobrle 2013
1
SPŠ Ústí n. L.
Znázornění první harmonické napětí a proudu (nahoře) a časový průběh řídících úhlů měniče (dole) Motor tvoří odporově induktivní zátěţ, proto je proud zpoţděn za napětím.
Výstupní frekvence cyklokonvertorů je max. 20 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 ui2, proti němuţ se přivádí z měniče regulační napětí Ur. Tím je vlastně napětí stejnosměrného meziobvodu UdAV, které se nastavuje pomocí řídících úhlů střídače. Tím je tyristorový trojfázový můstek a pracuje v invertorovém reţimu. Při změně Ur se stejným způsobem mění ui2, tedy např. po jeho zvýšení roste ui2, proto musí vzrůst skluz a otáčky tudíţ klesnou. Je-li Ur = 0, tedy = 90º, jsou otáčky přibliţně synchronní. Řízení otáček skluzem pomocí Ur 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 Ur nezávislé na zatíţení a momentové charakteristiky jsou stejné jako při řízení frekvencí. © Ing. Pavel Kobrle 2013
2
SPŠ Ústí n. L.
Výkonová bilance Pro dosaţení určitého momentu je třeba nezávisle na skluzu určitého výkonu ve vzduchové mezeře P , P P (1 s) P coţ plyne ze vztahu M . Při malých skluzech se téměř celý P spotřebuje na s (1 s ) s 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.
Nepřímé frekvenční měniče Blokové schéma frekvenčního měniče:
Usměrňovač Přemění vstupní střídavé (jedno nebo častěji trojfázové) napětí na stejnosměrné napětí. Usměrňovač můţe být neřízený (diodový) nebo řízený (aktivní tranzistorový v reţimu pulsně šířkové modulace). Pak bývá identický se střídačem. Stejnosměrný meziobvod Jsou dva základní typy stejnosměrných meziobvodů: napěťové a proudové. V moderních frekvenčních měničích s tranzistorovými IGBT střídači se pouţívají výhradně napěťové meziobvody. 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. L vyhlazuje střídavou sloţkou proudu a omezuje proudové nárazy při přechodných jevech. Střídač Jde o nejdůleţitější výkonový prvek. Vytváří poţadovaný průběh napětí pro motor. Nejrozšířenější je napěťový střídač (VSI - Voltage Source Inverter). 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. Provedení je modulové – modul tvoří celý můstek. Do tohoto modulu přichází napětí stejnosměrného meziobvodu Ud (u samostatných střídačů napětí stejnosměrného zdroje). Na jednotlivých fázích statoru motoru se podle spínací kombinace objevují různá napětí, jejichţ velikost je závislá na napětí v meziobvodu a na spínací kombinaci výkonových spínacích prvků ve střídači.
© Ing. Pavel Kobrle 2013
3
SPŠ Ústí n. L.
Řídicí obvody Mají za úkol zpracovávat a vyhodnocovat vstupní a zpětnovazební signály a zároveň provádět řídicí algoritmus, jehoţ výstupem jsou řídící napětí pro střídač. Dnes je vše realizováno číslicově. Pro přesné řízení je třeba měřit proudy a napětí, někdy i polohu a otáčky motoru. Pulsně šířková 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. Frekvence nosné je stálá (spínací frekvence měniče), mění se poměr kladné a záporné části periody (střída či duty factor).
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). © Ing. Pavel Kobrle 2013
4
SPŠ Ústí n. L.
Pokud je motor zapojen do hvězdy, sdruţená napětí jsou kladné nebo záporné napětí stejnosměrného meziobvodu Ud 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.
Výše uvedené obrázky jsou názorné, ale skutečná spínací frekvence nosné PWM bývá vyšší, např. jednotky kHz nebo i přes 20 kHz. Skutečný průběh sdruţeného napětí sejmutý z osciloskopu můţe proto vypadat např. podle dalšího obrázku.
Skalární řízení, U/f křivky Princip: řízení otáček změnou frekvence podle známého vztahu pro otáčky asynchronního motoru 60 f n ns (1 s) (1 s) . Z něj plyne, ţe otáčky jsou přímo úměrné frekvenci. p Podle transformátorové rovnice U U i 4,44 fNkv . Pokud by se měnila pouze frekvence měniče a nikoliv napětí, znamenalo by to změnu magnetického toku. Ten by ovšem měl být stejný nebo se měnit podle jiných hledisek. Při nárůstu toku by motor byl přesycován a rostl by neúměrně magnetizační proud, coţ je nepřijatelné, při poklesu toku by zase klesal moment motoru. Z výše uvedených skutečností plyne, ţe současně se změnou frekvence musí měnič měnit také napětí (efektivní hodnotu výstupního PWM napětí). Závislosti napětí na frekvenci měniče se nazývají U/f křivky.
© Ing. Pavel Kobrle 2013
5
SPŠ Ústí n. L.
1. Lineární U/f křivka Má-li magnetický tok být konstantní, coţ se poţaduje u většiny pohonů, musí se měnit napětí s frekvencí lineárně, U/f křivka je tedy lineární (obr. vlevo). 2. Lineární křivka s FCC Uvedené tvrzení však platí pouze přibliţně, protoţe 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. 3. Kvadratická U/f křivka U pohonů s ventilátorovou charakteristikou zátěţe (ventilátory, odstředivá čerpadla atd.) není nutné, aby motor pracoval při nízkých otáčkách s plným magnetickým tokem, protoţe moment zátěţe je malý. Motor je moţno částečně odbudit sníţením toku, zatímco 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 (obr. vpravo). I tato křivka má modifikaci s FCC.
Pouţití skalárního řízení: většina regulačních pohonů, které nevyţadují zcela přesné řízení otáček (aţ 80% všech pohonů). Kompenzace kolísání otáček při změně zatížení ns n 100 % závisejí na zatíţení. Skluz se mění od jmenovité hodnoty v řádu jednotek Otáčky a skluz s ns %, kterou nabývá při jmenovitém zatíţení, aţ k prakticky k nule při chodu naprázdno. Závislost otáček na skluzu tedy není nijak výrazná a pro běţné pohony ji lze pominout. Pak se při změně zatíţení (a konstantní frekvenci) mohou otáčky změnit o několik procent. Pokud by z nějakého důvodu tato nepřesnost vadila, lze skalární řízení vylepšit. Jde o to, aby při rostoucím zatíţení se výstupní frekvence měniče nepatrně zvýšila tak vykompenzovala pokles otáček vlivem změny zatíţení. Zvýšení frekvence ke kompenzaci poklesu otáček při rostoucím momentu se můţe provést na základě otáčkové nebo proudové zpětné vazby: 1. Zajistí ho regulátor otáček (porovná ţádanou a skutečnou hodnotu otáček); to je velmi přesná metoda, ale vyţaduje snímač otáček, coţ není úplně běţné ani jednoduché opatření. 2. Je předdefinováno podle nárůstu proudu; proud roste se zatíţením, a proto se na základě jeho velikosti, kterou měří měnič, upravuje mírně výstupní frekvence měniče, aby se otáčky vrátily na ţádanou hodnotu. Vektorové řízení Princip: oddělené řízení momentu a toku (tím se dosáhne podobně vynikajících vlastností jako u stejnosměrného cize buzeného motoru, který je z hlediska řízení nejlepším druhem elektromotoru). Při vektorovém řízení se (na rozdíl od přímého řízení momentu) pouţívá PWM. Moment je úměrný momentotvorné (činné) sloţce statorového proudu Ič, tok tokotvorné (jalové) sloţce Ij. Někdy se označuje jalová sloţka jako podélná Id a činná jako příčná Iq. Celkový magnetický tok stroje je . Podélná osa je d, příčná q. © Ing. Pavel Kobrle 2013
6
SPŠ Ústí n. L.
Největším problémem je měření skutečného toku ve stroji. Toto tvůrci měničů obvykle obcházejí výpočtem, takţe čidlo toku není nutné (angl. sensorless). Skutečný moment a skutečný tok se vypočítává neustále procesorem z měřených veličin I, U, popřípadě i ω, porovnává se v komparátorech se ţádanými hodnotami a procesor dále vypočítává potřebné údaje pro šířkově pulsní modulátor, který nastavuje U a f potřebné k dosaţení ţádaného toku a momentu. Pro správnou funkci měniče je potřeba matematického modelu stroje. Při vektorovém řízení se dá udrţovat tok a regulovat moment (třeba i skokem). Tomuto řízení můţe být nadřazená regulace otáček (with speed cotroller). Příklad: změna proudu při skokové změně momentu (mění se momentotvorná sloţka proudu, tokotvorná nikoliv)
Druhy provozu: a) Bez otáčkové zpětné vazby (pseudovektorové řízení, open loop vector) - nejsou informace o otáčkách motoru, proto měnič provádí odhad - musí mít k dispozici základní konstanty motoru, další údaje sám zjistí testem (autotuning). Kvalita řízení závisí na přesnosti zadání konstant a na algoritmu výpočtu otáček. b) S otáčkovou zpětnou vazbou - přesnější, lepší dynamika. c) Provoz s minimálním tokem (jen některé měniče) - lze měnit i tok (odbudit), čímţ klesají ztráty, ale má horší dynamiku. Vhodné pro ventilátorovou char. zátěţe. d) Regulace polohy v servopohonech - navíc je zde nadřazená regulační smyčka polohy. Pouţití vektorového řízení: pohony s vysokými nároky na přesnost a dynamiku řízení otáček, pohony s regulací momentu - papírenské stroje, navíječky, výtahy, drtiče, dopravníky, výtlačné lisy... Přímé řízení momentu Metoda přímého řízení momentu (Direct Thorque Control - DTC) pochází z osmdesátých let 20. století a průmyslově se vyuţívá v posledních dvaceti letech. Princip: prostorový vektor magnetického toku motoru se řídí takovým způsobem, aby bylo dosaţeno ţádaných hodnot magnetického toku i momentu, a to bez PWM (pulsně šířkové modulace). V měniči je vytvořen matematický model motoru (vysoké nároky na přesnost). Procesor vypočítává ze změřených hodnot I a U (není třeba měřit otáčky) skutečný tok a moment motoru, otáčky i frekvenci. Komparátory porovnají skutečný tok a moment se ţádanými hodnotami. Logický člen vybere nejvhodnější prostorový napěťový vektor, který posouvá statorový tok takovým směrem, aby se zajistil ţádaný tok a moment. Ţádané hodnoty toku a momentu dodají do jádra DTC regulátory momentu, otáček a toku. Velkou výhodou tohoto řízení je velmi krátká časová odezva - řádově ms. Moment se tedy reguluje přímo a tok se pohybuje v tolerančním pásmu (mezikruţí na obrázku) po zadané křivce. Je třeba rychle spočítat, jak se má v kaţdém kroku změnit moment (zvýšit – sníţit) a jak se má pohybovat tok. Podle toho se sepnou příslušné výkonové prvky střídače (viz příklad na konci výkladu). Napěťový vektor u má 6 poloh, sedmá je nulová - zkratování motoru přes střídač.
Např. na obrázku u1, u2, u6 tok zvýší, u3, u4, u5 sníţí, při nulovém vektoru u0 se zastaví (je konstantní). Při u2, u3, u4 je moment kladný, při u1, u5, u6 a také u0 záporný. © Ing. Pavel Kobrle 2013
7
SPŠ Ústí n. L.
Grafické znázornění změn toku a momentu při určité poloze prostorového vektoru toku : 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. Vzhledem k tomu, ţe na fázích A a B je +⅓U (napětí meziobvodu) a na fázi C -⅔U, má napěťový vektor polohu u6.
14.3.3 Rozběhové a doběhové rampy Rozběhová rampa je závislost frekvence na čase. Vzniká tedy při kaţdém rozběhu. Často je třeba tuto rampu nastavit cíleně podle pohonu (výtah, dopravník), aby nedošlo k neţádoucím jevům (velké přetíţení osob ve výtahu) nebo dokonce poškození (přetrţení dopravníku). Rampa souvisí s velikostí proudu, při nesouladu vzniká chyba, maximální proud nelze překročit. Frekvenční měniče umoţňují nastavit rampy různých tvarů, nejčastěji jsou lineární. Podobná fakta platí pro doběhové rampy.
© Ing. Pavel Kobrle 2013
8
SPŠ Ústí n. L.
