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.
Download

Frekvenční měniče - Ing. Pavel Kobrle