Statické měniče v elektrických pohonech Pulsní měniče Jsou to stejnosměrné měniče, mění stejnosměrné napětí. Účel: • změna velikosti střední hodnoty stejnosměrného napětí UdAV
Užití v pohonech: • řízení stejnosměrných motorů napájených ze stejnosměrné sítě: • elektrická trakce • automobilový průmysl • automatizační technika
Snižovací pulsní měniče (chopper step-down) Řídí střední hodnotu napětí na zátěži od nuly do napětí zdroje. Základní zapojení pulsního měniče: • stejnosměrný zdroj – síť • hlavní součástka - spínací prvek V1 • obvykle to bývá tranzistor IGBT • nulová dioda V0 • stejnosměrný cize buzený motor (kotva, buzení) • kotva indukuje protinapětí Ui • v náhradním schématu kotvy je i její R a L • v obvodu může být i vyhlazovací tlumivka (zahrnuta v L)
Pulsní měniče Činnost: • V1 je periodicky zapínán a vypínán s periodou T • V1 je zapnut po dobu to a vypnut po dobu tz • po zapnutí V1 v okamžiku 1 je na zátěži napětí zdroje U • do zátěže teče proud id, část energie se akumuluje v L • po vypnutí V1 v okamžiku 2 se stává zdrojem L • proud id teče dále v původním směru a uzavírá se přes V0 • průběh okamžitých hodnot napětí na zátěži ud je pulsující • střední hodnota výstupního napětí je UdAV • UdAV se určí z rovnosti šrafovaných obdélníků UdAV.T = U t0
U dAV
U
to T
Pulsní měniče Řízení UdAV: • změnou doby otevření to při konstantní periodě T • změnou periody T při konstatní době otevření to • kombinací obou způsobů Z hlediska motoru je nejvýhodnější nepřerušovaný proud pokud možno co nejvíce vyhlazený. K vyhlazení může dopomoci sériová vyhlazovací tlumivka. Při malém zatížení motoru nebo chodu naprázdno je proud přerušovaný (id2 na obr.), indukčnost obvodu nemá po vypnutí V1 dostatek energie pro udržení proudu po celou periodu.
Pulsní měniče s tyristory Hlavním spínacím prvkem V1 je zpětně závěrný tyristor. Užití: • starší pulsní měniče Princip: • tyristor V1 se zapíná impulsem na G • vypnutí tyristoru pomocí sítě (síťová komutace) není možné • k tyristoru se připojí komutační (vypínací) obvod KO • KO při vypínání tyristoru vytvoří protiproud Ip, který musí dosáhnout velikosti proudu zátěže • je-li výsledný proud tyristoru blízký nule, tyristor vypne (přejde do blokovacího režimu) • jsou různá zapojení KO
Pulsní měniče s tyristory Komutační obvod s rezonančním RL obvodem Činnost: • při vypnutém V1 se ze zdroje nabije C (nahoře +) • po zapnutí V1 (okamžik 1) se C přebije přes L (a D) na opačnou polaritu (jde o rezonanční obvod) • C zůstává nabit (červeně) po dobu to • zapnutím V2 v okamžiku 2 se C vybijí přes V2, V1 (C je přes ně ve zkratu) • protiproud (dostatečné velikosti) vypíná V1
U dAV
U
to T
Zvyšovací pulsní měniče chopper step-up Řídí střední hodnotu napětí na zátěži od napětí zdroje výše. Základní zapojení zvyšovacího pulsního měniče: • stejnosměrný zdroj – síť • tlumivka L • spínací tranzistor V1 • dioda V2 • kondenzátor C • stejnosměrný cize buzený motor (kotva Ui, La, Ra, buzení)
Zvyšovací pulsní měniče Činnost: • po sepnutí V1 je na tlumivce L napětí uL prakticky rovné napětí zdroje • tlumivka akumuluje energii, její proud iL narůstá (červeně) • mezitím je kotva motoru napájena z kondenzátoru C (zeleně) • dioda je v závěrném směru a nevede proud • po době tz se vypne V1, L indukuje napětí opačné polarity, to se přičítá k napětí zdroje • přes diodu V2 teče do motoru proud a dobíjí se kondenzátor (modře) • energie nahromaděná v tlumivce se přelévá na výstup t • napětí výstupu UdAV se řídí změnou poměru s doby tz a periody T s z ; zvětšováním s roste UdAV T
Rekuperační pulsní měniče the second quadrant step-up chopper Umožňují generátorické brzdění el. pohonu (rekuperaci), tedy provoz ve 2. kvadrantu. Pohybová energie pohonu se mění ve stroji na elektrickou a dodává do sítě. Základní zapojení rekuperačního pulsního měniče: • stejnosměrný cize buzený motor (kotva Ui, La, Ra, buzení) • tlumivka L • spínací tranzistor V1 • dioda V2 • stejnosměrná síť U
Rekuperační pulsní měniče Činnost: • sepnutím V1 se kotva motoru připojí paralelně k tlumivce L • zdrojem se stává indukované napětí kotvy • proud iL narůstá (červeně), tlumivka (a indukčnost kotvy) akumuluje energii a indukuje protinapětí • po vypnutí V1 se L brání změně a indukuje napětí (modře), které se přičítá k Ui stroje • součet uL a Ui je větší než napětí sítě U, proud iL teče přes diodu V2 do sítě • energie nahromaděná v tlumivce přechází do sítě • síť musí být schopna proud a výkon při rekuperaci přijmout
Cyklokonvertory 1 Jde o přímé frekvenční měniče, tedy bez stejnosměrného meziobvodu. Účel: • změna velikosti frekvence, která se vytváří přímo z trojfázové soustavy
Užití v pohonech: • řízení rychlosti pomaluběžných synchronních i asynchronních motorů velkých výkonů: • důlní průmysl – těžní stroje, rypadla • pohony lodí • cementářský průmysl – kulové mlýny • kovoprůmysl - válcovny
obr.: www.odbornecasopisy.cz
Cyklokonvertory 1 Základní zapojení • každá fáze motoru je napájena ze dvou tyristorových antipalarelně zapojených můstků A a B • pro motor je zapotřebí 6 můstků, tedy 36 tyristorů • můstky pracují střídavě v intervalech, kdy proud vinutím motoru teče jedním nebo druhým směrem • zapojení silových obvodů je podobné reverzačním stejnosměrným měničům • vhodným zapínáním tyristorů se dosahuje žádaného průběhu výstupního napětí • využívá se síťová komutace, tedy vypínání tyristorů vlivem střídavé sítě
princip vzniku nízké frekvence přímo ze sítě
Cyklokonvertory 1 Dvouhodnotové řízení • řídící úhly tyristorů nabývají jen dvou hodnot • průběh výstupního napětí prakticky sleduje obálku napětí trojfázové sítě, proto též obálkové řízení • v každé půlperiodě proudu vede jeden z můstků • zátěž je odporově induktivní, proud je zpožděn za napětím • proto se střídá usměrňovačový a invertorový chod (např. můstek A pracuje v intervalu 1 jako usměrňovač, v intervalu 2 jako invertor) • při střídání vedení mezi můstky musí být určitý „mrtvý“ čas, který zaručí úplný zánik proudu (jinak by mohlo dojít ke zkratu) • jednodušší řízení, ale výstupní napětí má velký obsah vyšších harmonických
Cyklokonvertory 2 Spojité řízení • řídicí úhly tyristorů se mění plynule • střední hodnota napětí na zátěži se blíží sinusovce požadované (nízké) frekvence (červená čára) • je možno řídit amplitudu výstupního napětí pomocí vhodných řídicích úhlů • složitější řízení, ale výstupní napětí má méně vyšších harmonických Řízení s okruhovými proudy • pracují oba můstky současně, jejich řídicí úhly v součtu jsou 180º • proud do zátěže teče jen jedním z nich • okruhové proudy je nutno omezit tlumivkami – zhoršení účinnosti
Cyklokonvertory 2 Vlastnosti cyklokonvertorů • relativně jednoduché zapojení • vysoká účinnost • poměrně jednoduché řízení • robustnost, spolehlivost • výstupní frekvence maximálně 25 Hz • vzniká v nich větší množství vyšších harmonických • nízké frekvence – pomaluběžné motory • velké výkony motorů (řádově až MW)
obrázek: cyklokonvertor 1000 V, 630 A obr.: ing-federer.ch
Podsynchronní kaskády Jsou to speciální nepřímé frekvenční měniče pro kroužkové asynchronní motory.
Účel: • změna skluzové frekvence na síťovou při řízení kroužkových asynchronních motorů skluzem
Užití v pohonech: • řízení rychlosti kroužkových asynchronních motorů velkých výkonů: • dopravníky • čerpadla • ventilátory • mlýny • lisy
obr.:www.transresch.de
Podsynchronní kaskády Zapojení: • nepřímý frekvenční měnič složený ze dvou trojfázových můstků (diodový usměrňovač, tyristorový střídač) • měnič je zapojen mezi rotor kroužkového asynchronního motoru a síť
Princip: • v rotoru asynchronního kroužkového motoru se indukuje napětí u i2 o skluzové frekvenci f2 = s.f1
• ui2 se usměrňuje v USČ a proti němu se přivádí regulační napětí Ur. • tím je vlastně napětí stejnosměrného meziobvodu UdAV, které se nastavuje pomocí řídicích úhlů střídače • střídač je tyristorový trojfázový můstek a pracuje v invertorovém režimu • při změně Ur se stejným způsobem mění ui2, tedy např. po zvýšení Ur roste ui2, proto vzroste skluz a klesnou otáčky • je-li Ur = 0, tedy = 90º, jsou otáčky přibližně synchronní
Podsynchronní kaskády Momentová charakteristika • řízení otáček skluzem pomocí Ur se používá i při klasické ztrátové regulaci vnějšími rotorovými odpory R r (vlevo) • při něm má funkci regulačního napětí Ur úbytek napětí na těchto odporech • ten je ovšem závislý na zatížení a momentová charakteristika se tak změkčuje • při řízení kaskádou je Ur nezávislé na zatížení a momentové charakteristiky jsou podobné jako při řízení frekvencí
odporové řízení
řízení kaskádou
Podsynchronní kaskády Výkonová bilance • pro dosažení určitého momentu je třeba nezávisle na skluzu určitého výkonu ve vzduchové mezeře P • plyne to ze vztahu M
P
P (1 s ) (1 s )
P s
• při malých skluzech téměř celý P přechází v mechanické formě do pracovního stroje PS • při vyšších skluzech je však zbývající, tzv. skluzový výkon s.P nadbytečný • s.P se v kaskádě usměrní, vystřídá na síťovou frekvenci a převede zpět do sítě • při odporovém řízení se s.P mění v odporech na tepelný výkon
Kaskáda je výhodná z hlediska řízení i hospodárnosti.
P
(1 s) P
Test – měniče 1
Skupina A
Skupina B
Nakreslete schéma zapojení snižovacího pulsního měniče a popište jeho činnost. Popište činnost zvyšovacího pulsního měniče. Nakreslete blokové schéma cyklokonvertoru. Kolik tyristorů celkem vyžaduje? Vysvětlete princip řízení rychlosti asynchronního kroužkového motoru s podsynchronní kaskádou.
Nakreslete průběh obvodových veličin snižovacího pulsního měniče a vyjádřete UdAV. Popište činnost rekuperačního pulsního měniče. V čem je hlavní rozdíl mezi dvouhodnotovým a spojitým řízením cyklokonvertoru? Popište tok výkonu asynchronního kroužkového motoru s podsynchronní kaskádou.
trakční pulsní měnič lokomotivy řady 163, 162
obrázky: atlaslokomotiv.net
