Fakulta výrobních technologií a managementu
Univerzity J. E. Purkyně v Ústí nad Labem
Na Okraji 1001
Tel.: 475 285 511
400 96 Ústí nad Labem
Fax: 475 285 566
Internet: www.fvtm.ujep.cz
E-mail: [email protected]
Elektrické pohony a výkonová elektronika
Ing. Pavel Kobrle
Studijní text určený pro prezenční a kombinované studium.
Studijní program:
Studijní obor:
N2652 Elektrotechnika, energetika a management
Elektroenergetika
Obsah:
1. Sylabus .............................................................................................................................................. 2
2. Mechanika pohonu, pohybová rovnice, přepočet M a J ................................................................... 3
3. Momentové charakteristiky pracovních strojů.................................................................................. 7
4. Momentové charakteristiky a provozní vlastnosti asynchronních a synchronních motorů .............. 9
5. Momentové charakteristiky a provozní vlastnosti stejnosměrných motorů .................................... 14
6. Dimenzování a jištění elektromotorů .............................................................................................. 18
7. Elektronické součástky používané v měničích ................................................................................ 20
8. Neřízené a řízené usměrňovače ...................................................................................................... 22
9. Pulsní měniče .................................................................................................................................. 25
10. Přímé frekvenční měniče a podsynchronní kaskády ..................................................................... 27
11. Nepřímé frekvenční měniče – blokové schéma, elektromagnetická kompatibilita ....................... 30
12. Nepřímé frekvenční měniče – výkonové obvody a pulsně šířková modulace................................ 34
13. Nepřímé frekvenční měniče – skalární řízení................................................................................ 37
14. Nepřímé frekvenční měniče – další možnosti řízení ...................................................................... 39
Elektrické pohony a výkonová elektronika
1
Ing. Pavel Kobrle, 2013
1. Sylabus
Charakteristika a cíle:
V předmětu se studenti seznámí s mechanikou elektrických pohonů a reţimy jejich práce. Poznají
statické charakteristiky pohonů i jejich dynamiku, dimenzování a jištění. Chápou pojem a prostředky
elektromagnetické kompatibility. Dále je předmět zaměřen na elektronické součástky pro výkonovou
elektroniku a principy a zapojení jednotlivých druhů měničů – neřízených a řízených usměrňovačů,
pulsních, střídavých a zejména frekvenčních měničů. Součástí předmětu jsou praktická měření na
elektrických pohonech a měničích.
Výstupy a kompetence:
Student zná statické a dynamické reţimy práce elektrických pohonů, nakreslí statické charakteristiky
elektromotorů a pracovních strojů; popíše druhy a principy elektronických součástek pro měniče a
dovede dimenzovat a jistit el. pohon a měnič; zná principy a zapojení silových obvodů statických
měničů, obzvláště nepřímých frekvenčních měničů; dokáţe proměřit elektrický pohon, nastavit a
řídit frekvenční měniče v praxi.
Doporučená dotace: 2/1; zakončení: zkouška
Obsah předmětu:
1. Mechanika pohonu, pohybová rovnice, přepočet M a J
2. Momentové charakteristiky pracovních strojů
3. Momentové charakteristiky a provozní vlastnosti asynchronních a synchronních motorů
4. Momentové charakteristiky a provozní vlastnosti stejnosměrných motorů
5. Dimenzování a jištění elektrických pohonů
6. Elektronické součástky ve výkonové elektronice
7. Neřízené a řízené usměrňovače
8. Pulsní měniče
9. Přímé frekvenční měniče a podsynchronní kaskády
10. Nepřímé frekvenční měniče – blokové schéma, elektromagnetická kompatibilita
11. Nepřímé frekvenční měniče – výkonové obvody a pulsně šířková modulace
12. Nepřímé frekvenční měniče – skalární řízení
13. Nepřímé frekvenční měniče – další moţnosti řízení
Cvičení:
1. Mechanika pohonu
2. Dimenzování a jištění el. pohonů
3. Měření zatěţovacích a momentových charakteristik elektromotorů
4. Měření na řízených usměrňovačích
5. Měření na frekvenčních měničích
6. Řízení frekvenčních měničů
Literatura:
Čermák, T.: Elektrické pohony. Skriptum VŠB Ostrava, 1982
Javůrek, J.: Regulace moderních elektrických pohonů, Grada Publishing a.s., 2003
Roubíček, O.: Elektrické motory a pohony, BEN – technická literatura, 2004
Pavelka, J., Čeřovský, Z., Lettl, J.: Výkonová elektronika, skriptum ČVUT, 2007
Elektrické pohony a výkonová elektronika
2
Ing. Pavel Kobrle, 2013
2. Mechanika pohonu, pohybová rovnice, přepočet M a J
2.1  Cíl
Znát sloţení pohonu, jeho obecné schéma a součásti.
Znát pohybovou rovnici el. pohonu, význam jednotlivých veličin a pracovní stavy. Naučit se řešit
problematiku přepočtu M a J u pohonů s převody.
2.2 Klíčová slova
Elektrický pohon, měnič, motor, pracovní stroj, moment hnací, zátěţný, dynamický, moment
setrvačnosti.
2.3 Obsah
2.3.1 Vymezení pojmu
Elektrický pohon = měnič, motor, řídící a regulační část.
2.3.2 Obecné schéma pohonu
obr. 2.3.2.1
Nejdůleţitější částí pohonu je měnič, který přizpůsobuje elektrické parametry zdroje pro
elektromotor.
obr. 2.3.2.2
Motor vytváří hnací moment Mh, pracovní stroj (např. výtah, čerpadlo…) zátěţný moment Mp. Při
dynamických změnách (zrychlování, zpomalování) se projevuje setrvačnost otáčejících se hmot
prostřednictvím dynamického momentu Md.
2.3.3 Pohybová rovnice
má tvar M h  M p  M d  J
d
.
dt
Mh - hnací moment
Mp - zátěţný moment
J [kg.m2] - moment setrvačnosti; charakterizuje setrvačnost těles při otáčivém pohybu, podobně jako
hmotnost m při pohybu přímočarém. J závisí na hmotnosti tělesa, ose otáčení a rozloţení hmotnosti
vzhledem k této ose. Pro tvary těles běţné v pohonech, tedy válcovité, lze J spočítat takto:
Tenký dutý válec: J = mr2
Plný válec: J = ½.mr2
Dutý tlustostěnný válec: J = ½.m(r12 + r22)
Elektrické pohony a výkonová elektronika
3
Ing. Pavel Kobrle, 2013
V pohybové rovnici mohou nastat tři případy:
1. Jsou-li hnací moment Mh a zátěţný moment Mp stejné, je dynamický moment Md nulový, je
proto nulová změna úhlové rychlosti d a pohon se točí ustálenou rychlostí.
2. Je-li Mh > Mp, je Md > 0, tedy d> 0 a pohon zrychluje.
3. Je-li Mh < Mp, je Md < 0, tedy d 0 a pohon zpomaluje (či brzdí).
Mezi přímočarým a otáčivým pohybem existuje analogie veličin i základních vztahů.
2.3.4 Přepočet M a J na jednu osu
U pohonů s převody neplatí přímo pohybová rovnice. Převod můţe být (za předpokladu rotačního
motoru) z pohybu otáčivého na otáčivý nebo z přímočarého na otáčivý.
Provádí se přepočet veličin M a J na jednu osu, obvykle osu motoru.
Přepočet M z otáčivého pohybu na otáčivý (obr. 2.3.4.1)
Skutečný moment Mp, který má pracovní stroj na své ose při rychlosti n2, budeme přepočítávat na
moment Mp´, kterým by působil na ose motoru při rychlosti n1.
Vyjdeme z rovnosti výkonů pracovního stroje před přepočtem a po něm. Přepočtem se výkon nesmí
změnit.
P  P


M p  2  M p 1 a také M p n 2  M p n1
n

Mp  Mp 2
n1
Stačí tedy původní zátěţný moment vydělit převodovým poměrem převodovky i = n 1/n2. Při zahrnutí
účinnosti převodovky do přepočtu výsledek ještě vydělíme touto účinností.
n 1

Mp  Mp 2
n1  př
Přepočet M z přímočarého pohybu na otáčivý (obr. 2.3.4.2)
Pracovní stroj působí silou F a pohybuje se rychlostí v. My budeme počítat moment Mp´, kterým by
působil na ose motoru při rychlosti n1. Na obrázku je příklad – zdvihací stroj s přímočarým pohybem
pracovního stroje – břemene.
Elektrické pohony a výkonová elektronika
4
Ing. Pavel Kobrle, 2013
Vyjdeme opět z rovnosti výkonů pracovního stroje před přepočtem a po něm. Přepočtem se výkon
nesmí změnit.
P  P

Fv  M p 1
v

Mp  F
1
S uvaţováním účinnosti převodovky
v 1

Mp  F
.
1  př
Přepočet J z otáčivého pohybu na otáčivý (obr. 2.3.4.3)
Skutečný moment setrvačnosti J, který má pracovní stroj na své ose při rychlosti n2, budeme
přepočítávat na moment J´, kterým by se jevil na ose motoru při rychlosti n1.
Vyjdeme z rovnosti kinetické energie pracovního stroje před přepočtem a po něm. Přepočtem se
kinetická energie nesmí změnit.

Wk  Wk
1
1
J 22  J 12
2
2
2
n 
J   J  2 
 n1 
Stačí tedy původní moment setrvačnosti vydělit kvadrátem převodového poměru převodovky.
Účinnost převodovky na přepočet nemá vliv.
Přepočet J z přímočarého pohybu na otáčivý (obr. 2.3.4.4)
Pracovní stroj má hmotnost m a pohybuje se rychlostí v. Budeme počítat moment J´, kterým by se
jevil na ose motoru při rychlosti n1.
Znovu vyjdeme z rovnosti kinetické energie pracovního stroje před přepočtem a po něm. Přepočtem
se kinetická energie nesmí změnit.

Wk  Wk
Elektrické pohony a výkonová elektronika
5
Ing. Pavel Kobrle, 2013
1 2
1
mv  J 12
2
2
2
 v 
J   m 
 1 
Účinnost převodovky na přepočet nemá vliv.
Celkový moment setrvačnosti pohonu je součtem dílčích momentů setrvačnosti všech jeho částí
včetně motoru. Přídavný moment setrvačnosti je bez motoru.
2.4 Shrnutí
Elektrickým pohonem se rozumí zařízení pro přeměnu mechanické energie na elektrickou.
Nejdůleţitější sloţky pohonu jsou měnič, elektromotor a řídící část. Elektromotor pak pohání
pracovní stroj.
Pohybová rovnice pohonu popisuje jeho stav. Můţe se otáčet ustálenou rychlostí, zrychlovat či
zpomalovat.
U pohonů s převody je nutno přepočítat M i J zátěţe na osu motoru. Uvádějí se rovnice pro tento
přepočet.
2.5 Kontrolní otázky
1. Co si představujeme pod pojmem elektrický pohon?
2. Ze kterých hlavních částí se skládá elektrický pohon?
3. Jakou funkci má měnič?
4. Uveďte příklady pracovních strojů.
5. Co je pohybová rovnice pohonu?
6. Vysvětlete pojem moment setrvačnosti.
7. Jaké stavy pohonu mohou obecně nastat?
8. Z jaké základní myšlenky se vychází při přepočtu momentu na jednu osu?
9. Z jaké základní myšlenky se vychází při přepočtu momentu setrvačnosti na jednu osu?
10. Uveďte rovnice pro přepočet M a J na jednu osu.
2.6. !Úkoly
1. Proveďte přepočet M na osu motoru u pohonu podle obr. 2.3.4.1, je-li Mp = 20 Nm,
n1 = 1400 min-1, n2 = 200 min-1,  = 97%.
2. Proveďte přepočet M na osu motoru u pohonu podle obr. 2.3.4.2, je-li m = 20 kg, n1 = 1400 min-1,
v = 2 m/s,  = 99%.
3. Proveďte přepočet J na osu motoru u pohonu podle obr. 2.3.4.3, je-li J = 2 kg.m2, n1 = 1400 min-1,
n2 = 200 min-1.
4. Proveďte přepočet J na osu motoru u pohonu podle obr. 2.3.4.4, je-li m = 20 kg, v = 2 m/s,
n1 = 1400 min-1.
Elektrické pohony a výkonová elektronika
6
Ing. Pavel Kobrle, 2013
3. Momentové charakteristiky pracovních strojů
3.1  Cíl
Seznámit se se základními druhy momentových charakteristik pracovních strojů
3.2 Klíčová slova
Momentová charakteristika, moment, úhlová rychlost, charakteristika jeřábová, kalandrová,
ventilátorová, hyperbolická, zátěţný moment aktivní, pasivní.
3.3 Obsah
Druhy zátěžných momentů pracovních strojů
Momentové charakteristiky různých pracovních strojů lze zařadit do několika skupin, které jsou
typické. Při určitém zjednodušení je lze popsat jednoduchými matematickými závislostmi. Jak
známo, mezi výkonem a momentem je vztah P = .M. V následujících grafech se uvádějí jak
momentová charakteristika, tak závislost  na výkonu.
1. Jeřábová charakteristika – s konstantním momentem
Moment je konstantní: M = b0 = konst; výkon roste lineárně: P = b0
Tuto charakteristiku mají jeřáby, výtahy, těţní stroje, trakční vozidla, ventily, dopravníky.
2. Kalandrová charakteristika – s lineárním momentem
Moment roste lineárně s otáčkami: M = b1 ; výkon roste kvadraticky: P = b1
Tuto charakteristiku mají kalandry (válcovací stroje se dvěma válci), papírenské a textilní stroje,
válcovací stolice, míchací stroje, obecně stroje, které stlačují nějaká tělesa či hmotu.
3. Ventilátorová charakteristika - s kvadratickým momentem
Moment roste kvadraticky s otáčkami: M = b2 ; výkon roste se třetí mocninou otáček: P = b2
Elektrické pohony a výkonová elektronika
7
Ing. Pavel Kobrle, 2013
Tuto charakteristiku mají ventilátory, odstředivá čerpadla, lodní šrouby, turbokompresory,
odstředivky, vrtule, obecně stroje pracující na odstředivém principu, které překonávají odpor plynu
či kapaliny.
4. Navíječková charakteristika – s hyperbolickým momentem
Moment je nepřímo úměrný otáčkám: M = b-1/; výkon je konstantní: P = b0-1 = konst
Tuto charakteristiku mají navíječky drátů, pasů apod., soustruhy, frézy, vrtačky.
Některé pracovní stroje mohou mít sloţitější závislost momentu, např. pístová čerpadla na úhlu
natočení (poloze) aj.
3.4 Shrnutí
Momentové charakteristiky pracovních strojů se zjednodušeně dělí na čtyři skupiny, popsatelné
jednoduše matematicky. Charakteristiky se nazývají jeřábová, kalandrová, ventilátorová a
navíječková a moment je u nich konstantní, lineárně, kvadraticky a nepřímo úměrně závislý na
otáčkách. Podle směru momentu v závislosti na směru otáček se rozeznává aktivní a pasivní zátěţný
moment.
3.5 Kontrolní otázky
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Co je momentová charakteristika pracovního stroje?
Jaké druhy momentových charakteristik znáte?
Jaký je rozdíl mezi jeřábovou a kalandrovou charakteristikou?
Která charakteristika má při nízkých otáčkách malý moment?
Které stroje mají vţdy aktivní moment?
Jakým směrem působí pasivní zátěţný moment:
3.6 !Úkoly
1. Nakreslete momentové charakteristiky základních typů.
2. Se kterými druhy pracovních strojů se setkáme v běţné praxi?
Elektrické pohony a výkonová elektronika
8
Ing. Pavel Kobrle, 2013
4.
Momentové
charakteristiky a
asynchronních a synchronních motorů
provozní
vlastnosti
4.1  Cíl
Seznámit se s momentovou charakteristikou. asynchronních a synchronních motorů a jejich
nejdůleţitějšími provozními vlastnostmi tj. spouštěním, řízením rychlosti a elektrickým brzděním.
4.2 Klíčová slova
Momentová charakteristika, záběrný moment, moment zvratu, spouštění, řízení rychlosti, elektrické
brzdění, měnič.
4.3 Obsah
4.3.1 Asynchronní motory
4.3.1.1 Moment
R2 2
R (1  s ) 2
I2 a P  3 2
I 2 , z čehoţ

s
s
plyne P  P (1  s) . Z definice skluzu plyne n  ns (1  s) , tedy i   s (1  s) . Po dosazení do
Obecná definice momentu: M 
P
. Asynchronní stroj má P  3
definičního vztahu pro moment je M 
P


P (1  s) P

s (1  s) s
4.3.1.2 Momentová charakteristika
Je to závislost momentu na otáčkách či na skluzu; stupnice skluzu je opačná neţ stupnice otáček.
Někdy se uvádí závislost opačná, tedy otáček na momentu.
Její tvar je charakteristický, vyplývá ze vztahu


U1 f
P
R2 2
R2 
M 
3
I 2  3

s
s s
s s
R
 ( R1  2 ) 2  ( X  1  X  2 ) 2
s

2


U 12
  R2

R
s s
( R1  2 ) 2  ( X  1  X  2 ) 2

s

Pomocí limit lze zjistit, ţe vznikla z přímky a hyperboly. Při skluzech blízkých nule je přímková, při
skluzech kolem jedné je hyperbolická.
Přirozená momentová charakteristika: při jmenovitém napětí a jmenovité frekvenci.
Tvar momentové char. lze ovlivnit napětím, frekvencí, u krouţkových motorů velikostí rotorového
odporu.
Ze vztahu pro M plyne důleţitý fakt, ţe moment závisí kvadraticky na napětí.
Pracovní oblast je lineární část charakteristiky blízko ns.
Důleţité body: záběrný moment Mz, moment zvratu (maximální) Mzv, synchronní otáčky ns.
Při změně napětí se mění Mz i Mzv, coţ můţe být nevýhodné (jak známo, moment závisí na U2).
Při změně frekvence se mění ns a lineární část charakteristiky se rovnoběţně posouvá.
Elektrické pohony a výkonová elektronika
9
Ing. Pavel Kobrle, 2013
4.3.1.3 Statická stabilita
Rozeberme ji na pohonu zátěţe s jeřábovou charakteristikou. Rovnají-li se momenty Mh a Mp,
nemusí to nutně znamenat stabilní chod ustálenou rychlostí. v Bodě 1 je chod stabilní. V bodě 2
nestabilní, protoţe při jakékoliv nahodilé změně parametrů se pohon buď urychlí do bodu 2, nebo
dM h dM p
zastaví. Obecně lze napsat, ţe při
je pohon staticky stabilní a naopak.

d
d
4.3.1.4 Spouštění
Hlavním úkolem při spouštění je omezení záběrného proudu, ale nesmí se sníţit záběrný moment
pod potřebnou hodnotu.
Motory s kotvou nakrátko
Přímé připojení k síti
Záběrný proud se nesníţí (činí asi pětinásobek jmenovitého proudu), ale ani záběrný moment se
nesníţí a odpovídá přirozené momentové charakteristice. Lze uţít omezeně (např. na běţné síti
3x400 V a bez povolené výjimky do 3 kW výkonu)
Spouštění sníženým napětím
Záběrný proud se sníţí, ale stejným způsobem se sníţí záběrný moment.
Různé varianty: přepínání Y – D (proud i moment klesne ve hvězdě třikrát), spouštěcí
autotransformátor, předřadná impedance ve statoru, softstartér – napěťový měnič s antiparalelními
tyristory (na obr.)
Elektrické pohony a výkonová elektronika
10
Ing. Pavel Kobrle, 2013
Spouštění sníženou frekvencí
Záběrný proud se sníţí, záběrný moment nikoliv, lze ovlivnit. Je nutný drahý frekvenční měnič,
pouţitelný však i pro regulaci otáček.
Motory kroužkové
Spouštění se děje postupným vyřazováním (plynulým či skokovým) vnějších odporů zařazených do
rotorového obvodu. Vyřazování odporových stupňů se řídí podle času nebo proudu.
4.3.1.5 Řízení rychlosti
60 f
1  s  .
p
Řízení frekvencí – nejdůleţitější, nejdokonalejší, nejrozšířenější. Řízení je plynulé, nutný frekvenční
měnič (usměrňovač, stejnosměrný meziobvod a střídač, řízení mikroprocesorem). Střídač vytváří ze
stejnosměrného napětí meziobvodu pomocí pulsně šířkové modulace (PWM) obdélníkový průběh
napětí, jehoţ první harmonická je poţadovaná frekvence.
Tři moţné způsoby plynou ze vztahu pro otáčky n 
Při změně frekvence se musí měnit i napětí, aby se neměnil neţádoucím způsobem mg. tok, plyne to
z transformátorové rovnice.
O měničích bude ještě podrobně pojednáno.
Řízení přepínáním pólpárů – pouze skokově, obvykle dvourychlostní motory, buď dvě samostatná
vinutí, nebo jedno přepínatelné vinutí.
Řízení skluzem – pouze krouţkové motory, do rotoru se přivádí regulační napětí, které ovlivní skluz.
Zastaralý způsob – ztrátové řízení rotorovými odpory; hospodárný způsob – frekvenční měnič, tzv.
ventilová kaskáda. Z výkonu P potřebného pro určitý moment se vyuţije P = P(1-s), zbytek 
skluzový výkon sP se mění na teplo v odporech nebo vrací přes měnič do sítě.
4.3.1.5 Elektrické brzdění
Protiproudem – přepólování dvou libovolných fází, změna směru točivého pole, velký proudový
náraz, nutno zajistit proti rozběhu opačným směrem.
Rekuperací – stroj se provozuje při nadsynchronních otáčkách, vznikne generátorický chod a energie
se vrací do sítě. Moţnosti: sníţení frekvence frekvenčním měničem; zvýšení otáček při spouštění
břemene.
Do odporu - při uţití frekvenčního měniče, odpor se zařadí do stejnosměrného meziobvodu.
Stejnosměrným proudem – stator se napájí stejnosměrným proudem, čímţ vznikne stojící mg. pole.
Elektrické pohony a výkonová elektronika
11
Ing. Pavel Kobrle, 2013
4.3.2 Synchronní motory
4.3.2.1 Momentová charakteristika
Momentová charakteristika je absolutně tvrdá, otáčky jsou vţdy synchronní. Při překročení
maximálního momentu, tedy překročení mezního zátěţného úhlu motor vypadne ze synchronismu a
zastaví se, coţ je poruchový stav, neboť vinutím kotvy protéká velký proud.
s 
60 f
p
4.3.2.2 Spouštění
Je největším problémem synchronních motorů.
1. Asynchronní spouštění – na asynchronním principu. Budicí vinutí je zkratováno, spolu
s amortizérem plní funkci kotvy nakrátko. Po rozběhu na mírně podsynchronní otáčky se budicí
vinutí rozpojí, motoru se nabudí a sám vtáhne do synchronismu. Proudový náraz se omezuje
sníţením napětí, např. předřadnými tlumivkami nebo Y-D. Pouţívá se pro motory bez
frekvenčních měničů nebo pro generátory přečerpávacích vodních elektráren v čerpadlovém
reţimu.
2. Spouštění s frekvenčním měničem – měnič postupně zvyšuje frekvenci (prakticky od nuly) tak,
aby se nepřekročil mezní zátěţný úhel a stroj nevypadl ze synchronismu. V současné době je
nejrozšířenější.
3. Roztočení pomocným motorem a přifázování po splnění stejných podmínek jako u generátoru.
4.3.2.3 Řízení rychlosti
Je moţné pouze frekvencí. Pouţije-li se frekvenční měnič, umoţňuje spouštění, řízení rychlosti i
brzdění rekuperací. Při řízení se vţdy musí dbát, aby nedošlo k vypadnutí ze synchronismu
překročením mezního zátěţného úhlu max.
4.3.2.4 Elektrické brzdění
1. Do odporu – po odpojení kotvy od sítě a připojení rezistorů se stroj chová jako generátor
pracující do odporové zátěţe. Kinetická energie pohonu se mění se stroji na elektrickou a dále
v rezistorech na teplo.
Elektrické pohony a výkonová elektronika
12
Ing. Pavel Kobrle, 2013
2. Rekuperací – sniţujeme-li frekvenčním měničem frekvenci tak, aby stroj pracoval jako generátor
(a nepřekročil se max), vrací se energie zpět do zdroje. Ten musí být ovšem schopen energii
přijmout (např. tvrdá síť).
4.4 Shrnutí
Momentová charakteristika elektromotoru popisuje závislost momentu na otáčkách či naopak.
Asynchronní motor má tvrdou charakteristiku specifického tvaru, synchronní motor absolutně
tvrdou. Z provozních vlastností asynchronních i synchronních motorů jsou nejdůleţitější různé
metody spouštění, řízení rychlosti a elektrického brzdění.
4.5 Kontrolní otázky
1.
2.
3.
4.
5.
Jaké znáte způsoby spouštění asynchronních motorů s kotvou nakrátko?
K čemu slouţí frekvenční měniče?
Jaké výhody má brzdění rekuperací?
Jaký tvar má momentová charakteristika synchronního motoru?
Jaké jsou způsoby spouštění synchronních motorů?
4.6 !Úkoly
1. Porovnejte tři způsoby řízení rychlosti asynchronních motorů.
2. Nakreslete a popište momentovou charakteristiku asynchronního motoru.
3. Vysvětlete vypadnutí synchronního motoru ze synchronismu.
Elektrické pohony a výkonová elektronika
13
Ing. Pavel Kobrle, 2013
5.
Momentové
charakteristiky
stejnosměrných motorů
a
provozní
vlastnosti
5.1  Cíl
Seznámit se s momentovou charakteristikou stejnosměrných motorů a jejich nejdůleţitějšími
provozními vlastnostmi tj. spouštěním, řízením rychlosti a elektrickým brzděním.
5.2 Klíčová slova
Spouštění, řízení rychlosti, elektrické brzdění, měnič, momentová charakteristika, záběrný moment.
5.3 Obsah
5.3.1 Cize buzený motor
5.3.1.1 Momentová charakteristika
Její rovnici lze odvodit ze tří základních rovnic stejnosměrných motorů: napěťové rovnice
U  U i  RI , z rovnice pro indukované napětí Ui  k a rovnice pro moment M  kI .
RM
Dosazením do napěťové rovnice za Ui z druhé a za I ze třetí rovnice dostaneme U  k 
.
k
U
RM
Vyjádříme úhlovou rychlost a získáme závislost   f (M ) 
, coţ je rovnice přímky.

k (k)2
U
RM
 0 představuje úhlovou rychlost naprázdno, druhý člen
První člen
pokles úhlové
k
(k) 2
rychlosti při zatíţení. Přirozená momentová charakteristika (jmenovité napětí, jmenovitý budicí
proud čili i tok, v obvodu kotvy není sériový odpor) je tvrdá, pokles otáček při zatíţení je malý.
Parametry jsou napětí, odpor v obvodu kotvy a magnetický tok.
5.3.1.2 Spouštění
Hlavním úkolem při spouštění je omezení záběrného proudu, s velikostí záběrného momentu
nebývají potíţe. Motor však musí být plně nabuzen, aby měl velký moment ( M  kI ).
Napěťová rovnice: U  U i  RI . Indukované napětí Ui  k je počátku spouštění nulové.
Z rovnice plynou dva způsoby omezení záběrného proudu:
Spouštění sníženým napětím:. Je potřeba zdroj regulovatelného napětí (řízený usměrňovač, pulsní
měnič). Hospodárné.
Spouštění předřadným sériovým odporem: zvýší se tak celkový odpor v obvodu kotvy.
Nehospodárné, ztrátové.
Elektrické pohony a výkonová elektronika
14
Ing. Pavel Kobrle, 2013
5.3.1.3 Řízení rychlosti
U
RM
.

k (k) 2
Řízení napětím: nejdůleţitější, nejdokonalejší, nejrozšířenější. Řízení je plynulé, je nutný
regulovatelný zdroj.
Řízení sériovým odporem: k odporu kotvy Ra se přidá sériový odpor Rs, takţe R = Ra + Rs. Zastaralá,
ztrátová regulace.
Řízení magnetickým tokem: pouze doplňkové řízení odbuzováním po dosaţení maximálního napětí,
tedy nad přirozenou momentovou charakteristikou. Klesá při něm maximální moment, coţ plyne ze
vztahu M max  kmax I max .
Tvar momentové charakteristiky při změně parametrů je zřejmý po rozboru rovnice.
Tři moţné způsoby plynou ze vztahu pro úhlovou rychlost  
5.3.1.4 Elektrické brzdění
Protiproudem – přepólování kotvy a zařazení sériového odporu, nehospodárné, nutno zajistit proti
rozběhu opačným směrem.
V grafu jsou znázorněny poměry při brzdění. Motor s hnacím momentem (momentová
charakteristika Mh1) pracuje do zátěţe, která vytváří v opačném směru zátěţný moment (momentová
charakteristika Mp). Pohon se točí ustálenou rychlostí 1. Při brzdění se charakteristika motoru
změní na Mh2. Jeho hnací moment se změní na záporný. Podle pohybové rovnice pohonu
d
Mh  M p  Md  J
bude dynamický moment Md záporný, v absolutní hodnotě je roven součtu
dt
absolutní hodnoty hnacího a zátěţného momentu. Pohon tedy bude brzdit.
Elektrické pohony a výkonová elektronika
15
Ing. Pavel Kobrle, 2013
Do odporu - odpojení kotvy od zdroje a připojení odporu, stroj pracuje jako dynamo do odporové
zátěţe a kinetickou energii pohonu mění na teplo. Odpor se během brzdění můţe sniţovat, aby
brzdící moment rostl. Dobrţďování do nuly se zpravidla provádí mechanicky. Charakteristiky jsou
na obrázku vlevo (při brzdění je zdroj odpojen, proto U = 0 a charakteristika prochází počátkem).
Rekuperací – měničem se sníţí napětí, vznikne tak generátorický chod a energie se vrací do sítě. Jde
o jediný hospodárný způsob. Charakteristiky na obrázku vpravo.
5.3.2 Sériový motor:
5.3.2.1 Momentová charakteristika
U
RM
. Neuvaţujeme-li vliv sycení, pak

k (k) 2
U
R
U
R
M  kI ~  2 ,   k  M a po dosazení a úpravě  


 2.
2
kk  M (kk )
C M C
Charakteristika je hyperbolická, měkká. Otáčky se velmi přizpůsobují zatíţení. Podobnou
charakteristiku mají i střídavé sériové komutátorové motory, které jsou velmi rozšířené.
Vyjdeme z rovnice cize buzeného motoru  
Elektrické pohony a výkonová elektronika
16
Ing. Pavel Kobrle, 2013
5.3.2.2 Spouštění a řízení rychlosti
Je prakticky shodné s cize buzenými motory. Odbuzování lze realizovat tzv. šuntováním, kdy se
zapojí odpor paralelně k budícímu vinutí.
5.3.2.3 Elektrické brzdění
Protiproudem – přepóluje se pouze kotva a zařadí sériový odpor.
Do odporu – je nespolehlivé, protoţe záleţí na samonabuzení díky remanentnímu toku. V praxi se
motory při brzdění obvykle přepojí na cizí buzení.
Rekuperací – nelze, napětí by záviselo na zatíţení, coţ je zcela nevhodné. Téţ moţno přepojit na cizí
buzení.
5.4 Shrnutí
Momentová charakteristika stejnosměrného stroje popisuje závislost otáček na momentu a jejím
tvarem se zásadně liší tvrdé cize buzené motory a měkké sériové motory. Z provozních vlastností
stejnosměrných motorů jsou nejdůleţitější různé metody spouštění, řízení rychlosti a elektrického
brzdění.
5.5 Kontrolní otázky
1.
2.
3.
4.
Jaké znáte způsoby spouštění stejnosměrných motorů?
Který způsob řízení otáček je hospodárný?
Jak se realizuje brzdění rekuperací?.
Jaký je hlavní rozdíl mezi cize buzeným a sériovým motorem?
5.6 !Úkoly
1. Nakreslete a popište momentovou charakteristiku cize buzeného motoru.
2. Nakreslete momentové charakteristiky při brzdění protiproudem, do odporu a rekuperací a
popište všechny momenty na počátku brzdění.
Elektrické pohony a výkonová elektronika
17
Ing. Pavel Kobrle, 2013
6. Dimenzování a jištění elektromotorů
6.1  Cíl
Seznámit se se zásadami pro dimenzování a jištění elektromotorů.
6.2 Klíčová slova
Dimenzování, jištění vnější, vnitřní.
6. 3 Obsah
6.3.1 Dimenzování elektromotoru
Při zjednodušeném návrhu motoru je nutno vyjít z těchto skutečností:
 motor musí vyvinout Mh větší neţ je moment zátěţe Mp
 jmenovitý výkon motoru musí být větší nebo roven příkonu zátěţe
V opačném případě
 pohon se nerozeběhne
 dojde k nedovolenému oteplení motoru
U pohonů se spínacími ztrátami, tj. takových, kde dochází k častému spouštění nebo i elektrickému
brzdění, je nutno brát v úvahu, ţe
1
 do zátěţe je při rozběhu nutno dodat navíc kinetickou energii Wk  J 2
2
 při elektrickém brzdění se musí tato energie přeměnit na jiný druh energie.
Toto má za následek zvýšené oteplení motoru. Dimenzování je komplikovanější a provádí se
s ohledem na velikost celkového J pohonu (přepočteného na osu motoru) a četnosti spínání.
Druhy zatíţení motoru:
 trvalé zatíţení (S1) – při proměnlivé hodnotě výkonu se musí určit tzv. ekvivalentní výkon;
pro asynchronní, synchronní a stejnosměrné cize buzené motory platí .




krátkodobý chod (S2) – např. S2 10 min – z pohledu trvalého zatíţení by byl motor přetíţen,
ale krátkodobě oteplení nepřesáhne dovolenou hodnotu
přerušovaný chod (S3), popř. s rozběhem (S4) či s rozběhem a elektrickým brzděním (S5) –
střídá se doba chodu a doba klidu; uvádí se normovaný zatěţovatel – poměr doby chodu a
doby cyklu 10 minut, např. S3 40%
přerušované zatíţení (S6) – střídá se doba zatíţení a chodu naprázdno
norma ČSN EN 60034-1 uvádí ještě další druhy zatíţení S7 – S10.
6.3.2 Jištění elektromotorů
Jištění se provádí proto, aby nedošlo k nedovolenému oteplení vinutí motoru. Provádí se proti
nadproudu, a to
 proti zkratu
 proti přetíţení
Vnější jisticí prvky jsou
 jističe s vypínací charakteristikou C nebo D podle charakteru rozběhu (lehký – těţký); slouţí
proti zkratu i přetíţení
 pojistky proti zkratu a tepelná relé (doplňkové moduly stykačů) proti přetíţení
Vnitřní jisticí prvky jsou méně obvyklé, ale dokonalejší. Vkládají se do vinutí motoru a snímají
bezprostředně jeho teplotu. Jde o termistory spojené s elektronickými relé, která vyhodnotí oteplení
a případně zajistí vypnutí.
Elektrické pohony a výkonová elektronika
18
Ing. Pavel Kobrle, 2013
6.4 Shrnutí
Elektromotory se dimenzují s ohledem na poţadovaný moment a na oteplení. Jištění se provádí proti
nadproudům, tedy zkratům a přetíţení, a můţe být vnější nebo vnitřní.
6.5 Kontrolní otázky
1. Podle jakých zásad se dimenzuje elektromotor?
2. Jaké rozlišujeme způsoby jištění podle různých hledisek?
6.6 !Úkoly
1. Vypočítejte ekvivalentní výkon asynchronního motoru pro trvalé proměnlivé zatíţení, jestliţe se
střídá výkon 1 kW a 2 kW po 5 minutách.
2. Navrhněte jištění asynchronního motoru 400 V, 2,2 kW, 4.8 A.
Elektrické pohony a výkonová elektronika
19
Ing. Pavel Kobrle, 2013
7. Elektronické součástky používané v měničích
7.1  Cíl
Seznámit se se zpětně závěrnými tyristory, tranzistory IGBT a tyristory IGCT.
7.2 Klíčová slova
Zpětně závěrný tyristor, vypínací tyristor GTO, tranzistor IGBT, tyristor IGCT.
7.3 Obsah
7.3.1 Zpětně závěrný tyristor
Je to polovodičový čtyřvrstvý prvek se třemi PN přechody a třemi elektrodami – anodou A, katodou
K a řídící elektrodou (gate) G.
obr. 7.3.1.1
Tyristor má při kladné polarizaci napětí zdroje (+ na anodě) dva reţimy – blokovací, kdy je zavřený,
a propustný, kdy je otevřený (jako dioda), a do kterého přejde po přivedení kladného řídícího proudu
(postačuje impuls) na gate. Vypnutí je moţné jen působením vnějšího obvodu poklesem anodového
proudu blízko k nule (přesněji na hodnotu tzv. vratného proudu).
7.3.2 Vypínací tyristor GTO (Gate Turn Off)
Má podobnou strukturu, ale jiné rozměry jednotlivých vrstev, coţ vede k odlišným vlastnostem.
Zapíná se stejně, ale lze vypnout záporným impulsem proudu na gate.
7.3.3 IGBT tranzistor
V současné době je nejpouţívanější součástkou výkonové elektroniky polovodičová struktura
nazývaná Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT). Principiálně se jedná o kaskádní spojení
unipolárního a bipolárního tranzistoru. Zjednodušeně řečeno, jde o bipolární tranzistor řízený
unipolárním tranzistorem.
Proud báze koncového bipolárního tranzistoru PNP (jehoţ emitor je kolektorem IGBT a kolektor
emitorem IGBT) je spínán unipolárním tranzistorem MOSFET typu N s indukovaným kanálem.
Řídicí veličinou je tedy napětí (přiváděné na gate), coţ je výhodné z pohledu budiče – zdroje
řidicího signálu, protoţe není zatěţován proudem. Výkonový tranzistor je pak bipolární se všemi
svými výhodami, zejména vyššími napěťovými a proudovými parametry a niţšími spínacími
ztrátami.
Obrázek 7.3.3.1 znázorňuje zjednodušenou strukturu, na obr. 7.3.3.2 je jedna z moţných značek
IGBT tranzistoru.
Elektrické pohony a výkonová elektronika
20
Ing. Pavel Kobrle, 2013
obr. 7.3.3.1
obr. 7.3.3.2
7.3.4 IGCT tyristor (Integrated Gate Commutated Thyristor)
Jde o strukturu podobnou vypínacímu tyristoru GTO, má však kratší vypínací dobu.
Obě součástky mají své výhody a nevýhody (např. IGBT je pouţitelný pro vyšší spínací frekvence),
proto jejich souběh ve výkonové elektronice pokračuje.
Ve frekvenčních měničích, které neumoţňují rekuperaci, je moţno v usměrňovači pouţít výkonové
diody, v novějších měničích tomu tak nebývá.
7.4 Shrnutí
Ve výkonové elektronice se pouţívají zejména výkonové spínací součástky zpětně závěrný tyristor,
vypínací tyristor GTO, tranzistor IGBT a tyristor IGCT.
7.5 Kontrolní otázky
1. Jaké výkonové součástky se pouţívají v měničích?
2. Jaká je struktura IGBT tranzistoru?
3. Jaký je hlavní rozdíl mezi IGBT a IGCT?
7.6 !Úkoly
1. Vyhledejte na internetu katalogový list libovolného tyristoru a vypište jeho hlavní parametry.
2. Vyhledejte na internetu katalogový list libovolného IGBT modulu a vypište jeho hlavní
parametry.
Elektrické pohony a výkonová elektronika
21
Ing. Pavel Kobrle, 2013
8. Neřízené a řízené usměrňovače
8.1  Cíl
Seznámit se se zapojeními diodových a tyristorových usměrňovačů a jejich vlastnostmi.
8.2 Klíčová slova
Usměrňovač neřízený – diodový, řízený – tyristorový, reţim usměrňovačový, invertorový,
čtyřkvadrantový usměrňovač.
8.3 Obsah
8.3.1 Neřízené usměrňovače
Obsahují diody. Usměrňují střídavé napětí bez moţnosti jeho regulace. V elektrických pohonech je
lze pouţít pro napájení budicích obvodů stejnosměrných cize buzených motorů bez moţnosti
regulace budicího proudu, dále pro napájení kotev a budicích obvodů stejnosměrných motorů
s regulací napětí na střídavé straně usměrňovače (např. regulačním transformátorem).
Rozlišujeme zapojení podle počtu fází, pulsů (počet pulsů na výstupu během jedné periody napětí
zdroje) a cest (podle směru proudu ve střídavém zdroji).
Jednofázová zapojení:
jednofázové jednopulsní jednocestné
jednofázové dvoupulsní dvoucestné (jednofázový můstek)
Trojfázová zapojení:
trojfázové trojpulsní jednocestné
trojfázové šestipulsní dvoucestné (trojfázový můstek)
Jednocestná zapojení jsou nevýhodná, střídavý zdroj je zatěţován stejnosměrnou sloţkou proudu,
v pohonech se pouţívají prakticky výhradně zapojení dvoucestná.
8.3.2 Řízené usměrňovače
Jsou tvořeny tyristory. Usměrňují střídavé napětí s moţností jeho regulace. V elektrických pohonech
je lze pouţít pro napájení budicích obvodů a kotev stejnosměrných motorů s regulací napětí a
moţností rekuperace v invertorovém čili střídačovém chodu.
Elektrické pohony a výkonová elektronika
22
Ing. Pavel Kobrle, 2013
Zapojení řízených a neřízených usměrňovačů jsou principiálně stejná. Na obrázku je napájení kotvy
stejnosměrného cize buzeného motoru řízeným usměrňovačem v trojfázovém trojpulsním
jednocestném zapojení.
Fázové řízení je řízení napětí pomocí změny řídících úhlů tyristorů.
Režimy práce:
Usměrňovačový režim – řídící úhly tyristorů se pohybují v rozmezí 90º - 0º, tomu odpovídá střední
hodnota napětí na zátěţi (motoru) 0 – UdAVmax. Motor indukuje protinapětí Ui, které je menší neţ
UdAV, proto teče do motoru proud v kladném směru.
Invertorový či střídačový režim – řídící úhly jsou nad 90º, UdAV je záporné. Aby tekl proud
v kladném směru (v opačném to tyristory neumoţňují), musí být protinapětí Ui opačné polarity a
navíc větší neţ UdAV. V zapojení s jedním měničem je nutno kotvu přepólovat. Motor přechází do
generátorického chodu, brzdí pohon a rekuperuje energii do zdroje. Během brzdění se musí udrţovat
řídicí úhly tyristorů tak, aby UdAV bylo stále menší (méně záporné) neţ Ui, jinak by zanikl proud.
Při změně reţimu práce je třeba změnit polaritu Ui motoru, tedy přepólovat kotvu. Mechanické
kontakty jsou nepraktické a zhoršují dynamiku pohonu. Výhodnější je pouţití dvou měničů
v bezkontaktním zapojení – reverzačních čtyřkvadrantových měničů podle obrázku.
Reverzační měniče pracují pro oba směry otáčení pohonu a reţim motor i brzda, proto se nazývají
čtyřkvadrantové. Výhodné je tzv. řízení s okruhovými proudy, kdy pracují oba měniče (jejich řídící
úhly v součtu musí být 180º, aby nenastal zkrat, tedy UdAV1 = -UdAV2). Jeden měnič je v reţimu
usměrňovač, druhý invertor. Stejnosměrný proud (a výkon) teče vţdy jen jedním měničem. Střídavé
okruhové proudy jsou zapříčiněny občasnými rozdíly okamţitých hodnot ud1 a ud2 obou měničů a lze
je omezit tlumivkami. Toto zapojení má výbornou dynamiku a z reţimu motor do brzdění rekuperací
či naopak lze přejít pouhou současnou směnou řídících úhlů obou můstků.
Elektrické pohony a výkonová elektronika
23
Ing. Pavel Kobrle, 2013
8.4 Shrnutí
Pro stejnosměrné pohony napájené ze střídavé sítě se pouţívají usměrňovače. Řízené (tyristorové)
regulují střední hodnotu stejnosměrného napětí a umoţňují invertorový chod – brzdění rekuperací.
Napětí se řídí fázově – změnou řídících úhlů tyristorů. Čtyřkvadrantové reverzační měniče pracují
pro oba směry otáčení pohonu v reţimu motor i brzda.
8.5 Kontrolní otázky
1. Jaký je rozdíl mezi neřízeným a řízeným usměrňovačem?
2. Popište reţimy práce řízeného usměrňovač.
3. Jak provedeme změnu reţimu pohonu z motorického na brzdění?
8.6 !Úkoly
1. Vysvětlete rozdíl mezi usměrňovačovým a invertorovým reţimem.
2. Určete, v jakém reţimu pracují můstky reverzačního měniče, je-li UdAV1 = 200 V, Ui = 210 V.
Elektrické pohony a výkonová elektronika
24
Ing. Pavel Kobrle, 2013
9. Pulsní měniče
9.1  Cíl
Znát zapojení silových obvodů pulsních měničů pro sníţení napětí, zvýšení napětí a rekuperaci.
9.2 Klíčová slova
Pulsní měnič sniţovací, zvyšovací, rekuperační, nulová dioda.
9.3 Obsah
Pulsní měniče slouţí ke změně střední hodnoty stejnosměrného napětí UdAV. V pohonech je lze
pouţít pro řízení stejnosměrných motorů napájených ze stejnosměrné sítě, zejména v elektrické
trakci a automobilovém průmyslu.
9.3.1 Snižovací pulsní měnič
Základní zapojení pulsního měniče obsahuje jako hlavní součástku spínací prvek V1, kterým bývá
obvykle tranzistor IGBT.
V1 je periodicky zapínán a vypínán. Střední hodnota výstupního pulsujícího napětí UdAV se určí
jednoduše z rovnosti obdélníků UdAV.T = U t0, jestliţe T je perioda spínání, t0 doba otevření a U
napětí zdroje.
UdAV lze řídit změnou doby otevření při konstantní periodě, změnou periody při konstatní době
otevření nebo kombinací obou způsobů.
Po vypnutí spínacího prvku V1 se stává zdrojem indukčnost kotvy motoru, popř. i vyhlazovací
tlumivka. Proud teče dále v původním směru a uzavírá se přes nulovou diodu V0.
Z hlediska motoru je nejvýhodnější nepřerušovaný proud pokud moţno co nejvíce vyhlazený.
K vyhlazení můţe dopomoci sériová tlumivka T. Při malém zatíţení motoru nebo chodu naprázdno
je proud přerušovaný, indukčnost obvodu nemá po vypnutí V1 dostatek energie pro udrţení proudu
po celou periodu.
Spínacím prvkem ve starších měničích je zpětně závěrný tyristor. Zde se musí pro vypínání pouţít
komutační (vypínací) obvod, který vytvoří při vypínání v tyristoru protiproud. V zapojení podle
obrázku je zdrojem protiproudu kondenzátor C, který se nabije na polaritu naznačenou v závorce po
zapnutí V1 přes rezonanční obvod LC a vybije po zapnutí V2 přes V2 a V1.
Elektrické pohony a výkonová elektronika
25
Ing. Pavel Kobrle, 2013
9.3.2 Zvyšovací pulsní měnič
Hlavní roli v něm má akumulační tlumivka T.
Po sepnutí V1 se v ní hromadí energie. Po vypnutí V1 se na ní indukuje napětí ui, které se přičítá
k napětí zdroje a do motoru teče přes diodu V0 proud, dokud součet napětí zdroje a tlumivky U + ui
převyšuje indukované napětí motoru Ui. Přitom se energie z tlumivky předává do motoru.
9.3.3 Rekuperační pulsní měnič
Opět se vyuţije vlastností akumulační tlumivky.
Po zapnutí V1 hromadí energii, po vypnutí V1 tlumivka T indukuje napětí ui, které se přičítá
k indukovanému napětí motoru Ui. Dokud je součet ui + Ui větší neţ napětí zdroje, teče proud přes
diodu V0 zpět do zdroje, motor je v generátorickém reţimu a brzdí rekuperací. Energie pohonu i
energie nahromaděná v tlumivce se přelévá do stejnosměrného zdroje. Ten musí být schopen energii
přijmout, jinak rekuperace není moţná.
9.4 Shrnutí
Pulsní měniče mění střední hodnotu stejnosměrného napětí, pouţívají se pro stejnosměrné pohony
napájené ze stejnosměrné sítě. Mohou napětí sniţovat, zvyšovat a umoţňují i rekuperaci.
9.5 Kontrolní otázky
1. Na jakém principu pracuje sniţovací pulsní měnič?
2. Která součástka je nezbytná pro zvyšování napětí pulsním měničem a jakou má funkci?
3. K čemu slouţí nulová dioda?
9.6 !Úkoly
1. Nakreslete základní schémata sniţovacího, zvyšovacího a rekuperačního pulsního měniče.
2. Vypočítejte střední hodnotu napětí na kotvě motoru UdAV, je-li napětí stejnosměrné sítě
U = 600 V, frekvence spínání f = 100 Hz a doba otevření tranzistoru 4 ms.
Elektrické pohony a výkonová elektronika
26
Ing. Pavel Kobrle, 2013
10. Přímé frekvenční měniče a podsynchronní kaskády
10.1  Cíl
Poznat základní princip cyklokonvertorů a podsynchronních kaskád.
10.2 Klíčová slova
Přímý měnič frekvence – cyklokonvertor, řízení dvojhodnotové, spojité, podsynchronní kaskáda.
10.3 Obsah
10.3.1. 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 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.
uz
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 víc.
Znázornění první harmonické napětí a proudu (nahoře) a časový průběh řídících úhlů měniče (dole)
Elektrické pohony a výkonová elektronika
27
Ing. Pavel Kobrle, 2013
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.
10.3.2 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 u i2,
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.
Elektrické pohony a výkonová elektronika
28
Ing. Pavel Kobrle, 2013
Výkonová bilance: Pro dosaţení určitého momentu je třeba nezávisle na skluzu určitého výkonu ve
P P (1  s) P
vzduchové mezeře P, coţ plyne ze vztahu M   
. Při malých skluzech se téměř

 s (1  s) s
celý P spotřebuje na 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.
10.4 Shrnutí
Přímé frekvenční měniče tvoří výstupní napětí přímo z trojfázové sítě. Výstupní napětí má nízkou
frekvenci a značný obsah vyšších harmonických. Měniče se pouţívají pro pomaluběţné pohony
asynchronními a synchronními motory.
Podsynchronní kaskády slouţí k řízení krouţkových asynchronních motorů skluzem. V principu jde
o nepřímé frekvenční měniče, přes které se vrací skluzový výkon motoru do sítě.
10.5 Kontrolní otázky
1.
2.
3.
4.
5.
Z čeho se skládá a jak pracuje cyklokonvertor?
Jaký je rozdíl mezi dvojhodnotovým a spojitým řízením?
Proč mohou být výstupní frekvence cyklokonvertoru jen nízké?
Jak se nastavuje řídicí napětí podsynchronní kaskády?
Co je skluzový výkon a jaký vliv mají otáčky motoru na jeho velikost?
10.6 !Úkoly
1. Popište, jak se mění řídící úhly tyristorů cyklokonvertoru.
2. Vysvětlete princip řízení krouţkového asynchronního motoru skluzem.
3. Popište tok výkonu asynchronního motoru s podsynchronní kaskádou.
Elektrické pohony a výkonová elektronika
29
Ing. Pavel Kobrle, 2013
11. Nepřímé frekvenční měniče
elektromagnetická kompatibilita
–
blokové
schéma,
11.1  Cíl
Znát základní bloky a blokové schéma nepřímého frekvenčního měniče. Pochopit pojem
elektromagnetická kompatibilita (EMC), znát řešení EMC frekvenčních měničů, druhy rušení a
odrušovací prostředky pouţívané ve frekvenčních měničích.
11.2 Klíčová slova
Usměrňovač neřízený, řízený, meziobvod, střídač, elektromagnetická kompatibilita, rušivé vlivy,
odrušení, vstupní a výstupní filtr, vstupní a výstupní tlumivka.
11.3 Obsah
Frekvenční měniče mění napětí obecné napájecí sítě (konstantní frekvence a amplitudy), na napětí
variabilní frekvence a amplitudy.
11.3.1 Blokové schéma frekvenčního měniče:
11.3.1.1 Usměrňovač
Přemění vstupní střídavé (jedno nebo třífázové) napětí na stejnosměrné pulsující napětí. Usměrňovač
můţe být neřízený (diodový), plně řízený (tyristorový nebo tranzistorový), nebo polořízený
(kombinace obou). K potlačení nepříznivých zpětných vlivů polovodičových usměrňovačů na
napájecí síť se instalují kondenzátory pro kompenzaci jalového výkonu, rezonanční obvody pro
filtraci a rádiové rušení, coţ ovšem vyţaduje velké mnoţství pasivních součástek. Proto se začínají
pouţívat speciálně řízené vstupní usměrňovače, které nevyţadují další zařízení v silových obvodech.
Tyto usměrňovače jsou realizovány pomocí plně řiditelných výkonových polovodičových součástek
a jsou provozovány v reţimu pulsně šířkové modulace. Ve spojení se vstupním filtrem mohou
pracovat s jednotkovým účiníkem, popřípadě účiníkem kapacitním, a maximálně omezují zpětné
vlivy na napájecí síť.
11.3.1.2 Stejnosměrný meziobvod
Vyskytují se tři typy.
První přeměňuje stejnosměrné napětí z usměrňovače na stejnosměrný proud (proudový meziobvod).
Druhý typ stabilizuje pulsující stejnosměrné napětí (napěťový meziobvod).
Třetí typ upravuje konstantní stejnosměrné napětí z usměrňovače na jinou hodnotu.
Stejnosměrný meziobvod můţe být povaţován za jakýsi zdroj, ze kterého čerpá střídač energii pro
svou práci. Typ pouţitého meziobvodu závisí na pouţitém střídači a usměrňovači.
Elektrické pohony a výkonová elektronika
30
Ing. Pavel Kobrle, 2013
11.3.1.3 Střídač
Jde o nejdůleţitější a poslední výkonový prvek před motorem. Vytváří poţadovaný průběh napětí
pro motor. Střídač odebírá ze stejnosměrné meziobvodu proměnný stejnosměrný proud, proměnné
stejnosměrné napětí nebo konstantní stejnosměrné napětí a upravuje jej na napětí střídavé.
V oblasti střídavých pohonů je nejrozšířenější tzv.napěťový střídač (VSI - Voltage Source Inverter)
se stejnosměrným meziobvodem. Na jednotlivých fázích statoru AM se podle spínací kombinace
objevují různá napětí, jejichţ velikost je závislá na napětí v meziobvodu a na spínací kombinaci
výkonových spínacích prvků ve střídači. Napěťový střídač je schopen poskytnout maximálně osm
konkrétních spínacích kombinací, kterým na základě teorie o fázorech odpovídá šest aktivních
napěťových fázorů a dva fázory nulové.
Jednotlivá provedení těchto měničů se od sebe liší hlavně v pouţitých výkonových spínacích prvcích
(GTO, MOSFET, IGBT), ve velikosti spínací frekvence (100 Hz – 20 kHz) a v pouţitém typu
modulace. Dále se stále více zohledňují evropské normy pro EMC elektrotechnických výrobků, coţ
vede k pouţívání filtrů, stíněných kabelů, apod.
Spínací polovodičové prvky ve střídači se zapínají a vypínají podle řídicích signálů z řídicích
obvodů. Princip generování těchto signálů je dán zvolenou řídicí metodou.
Pro vysokonapěťové aplikace se pouţívá vícehladinových měničů frekvence.
11.3.1.4. Řídicí obvody
Mají za úkol zpracovávat a vyhodnocovat vstupní a zpětnovazební signály a zároveň provádět řídicí
algoritmus, jehoţ výstupem jsou řídící pulsy pro střídač. Dnes je téměř vše realizováno číslicově,
pomocí integrovaných obvodů a mikroprocesorů. Informace o stavu pohonu se získávají převáţně
měřením. Pro měření proudů a napětí se pouţívají snímače.
U standardních střídavých pohonů je pro přesné řízení pohybu nejdůleţitější čidlo pro snímání
polohy nebo rychlosti hřídele motoru.
11.3.2 Elektromagnetická kompatibilita (EMC)
Je to vlastnost elektrického nebo elektromagnetického přístroje spočívající v tom, ţe neovlivňuje
jiný objekt včetně sebe samotného a ţe odolává působení ostatních přístrojů.
Řešení elektromagnetické kompatibility frekvenčních měničů potom spočívá zejména v dodrţování
určitých zásad při projekci, realizaci i provozu pohonu a v případném vyhodnocování rušivých
účinků měřením. I při dodrţení všech zásad však nelze mít předem jistotu, ţe problémy s rušením
nevzniknou.
Rušivé vlivy frekvenčních měničů lze rozčlenit do následujících skupin:
- rušivé vlivy na napájecí síť – frekvenční měnič odebírá nesinusový proud, pracuje se špatným
činitelem výkonu  = P/S (obdoba účiníku, avšak se zohledněním vyšších harmonických) a zatěţuje
síť vyššími harmonickými, spektrum harmonických i  se mohou rychle měnit;
- rušivé vlivy na výstupu měniče – nepříznivé vlivy na motor, zejména vyšší napěťové namáhání
motoru, vyšší hluk, přídavné tepelné ztráty, vyšší zvlnění momentu;
- vysokofrekvenční elektromagnetické rušení – sleduje se zejména pásmo 150 kHz – 30 MHz,
uplatňuje se na vstupu i výstupu měniče a můţe rušit hromadné dálkové ovládání (HDO),
zabezpečovací systémy, rádiový a televizní přenos, řídicí a měřicí systémy atd.
Odstínění rušivých vlivů se zabezpečuje zejména prostřednictvím vstupních a výstupních
odrušovacích prostředků.
11.3.2.1 Odrušení na vstupu měniče – vstupní filtr
Nutnost odrušení měniče se vstupním diodovým usměrňovačem na straně sítě je dána charakterem
odebíraného proudu. Proud je tvořen úzkými vysokými pulsy, které se uplatňují v intervalech, kdy je
okamţitá hodnota síťového napětí vyšší neţ napětí kondenzátoru v meziobvodu. Veškerou energii ze
sítě musí měnič odebrat během těchto krátkých časových intervalů.
Elektrické pohony a výkonová elektronika
31
Ing. Pavel Kobrle, 2013
Je zřejmé, ţe proud je značně nesinusový s velkým obsahem vyšších harmonických. Z hlediska
odrušovacích prostředků rozlišujeme odrušení vstupu měniče vysokofrekvenční a nízkofrekvenční.
K odstínění vysokofrekvenčního rušení se pouţívá vstupní odrušovací filtr (obr). Tento filtr je ve
spojení s frekvenčním měničem nutno použít vždy. Frekvenční měniče některých výrobců mají
tento filtr integrován. Vstupní filtr zabraňuje pronikání radiového rušení v rozsahu 150 kHz aţ 30
MHz do sítě. Vstupní LC filtry jsou zapojeny jako L články nebo články. Při pouţití vstupního
filtru musí být součet vstupních proudů roven součtu proudů výstupních. Předpokládá-li se průchod
proudu středním pracovním vodičem, musí se pouţít čtyřvodičový filtr, u kterého jsou připojeny
filtrační kondenzátory i na střední vodič. V tomto případě se musí důsledně oddělit ochranný a
pracovní střední vodič.
11.3.1.2 Odrušení na vstupu měniče – vstupní tlumivky
Aby se zlepšilo harmonické spektrum proudu a sníţilo zatíţení diod vstupního usměrňovače
špičkovými hodnotami vstupního proudu, je nutno na vstup měniče zapojit vstupní tlumivky (obr.).
Pouţití tlumivek je nutné zejména v případě tvrdé napájecí sítě. U pohonů menších výkonů není
někdy nutno, zejména v případě měkké napájecí sítě, tlumivky pouţívat. Někteří výrobci integrují
vstupní tlumivky do měniče, někdy i za vstupní usměrňovač na vstup stejnosměrného meziobvodu.
Na tlumivkách vzniká úbytek napětí, ten by neměl být vyšší neţ 5%. Úbytek stejného charakteru
můţe vznikat v případě měkké sítě na její vnitřní impedanci. Tento úbytek nevzniká po dobu celé
periody napájecího napětí, ale jen v časových intervalech, kdy přes usměrňovač protéká proud, který
dobíjí kondenzátor v meziobvodu, tj. v okolí amplitudy síťového napájecího napětí. Úbytek můţe
mít dvojí negativní účinek. Jedná se jednak o deformaci napájecího napětí v případě měkké sítě.
Navíc se však vinou sníţené amplitudy vstupního napětí sniţuje napětí, na které je nabíjen
kondenzátor v meziobvodu.
V důsledku poklesu napětí meziobvodu klesá při jmenovité výstupní frekvenci měniče efektivní
hodnota výstupního napětí a tím výrazně i moment motoru. I kdyţ efektivní hodnota vstupního
napětí klesá minimálně, pokles napětí ve stejnosměrném meziobvodu můţe být aţ přes 10%, neboť
vstupní napětí klesá jen v intervalech, kdy se přes usměrňovač dobíjí kondenzátor meziobvodu.
Řešením je v tomto případě sníţení indukčnosti vstupních tlumivek.
11.3.1.3 Odrušení na vstupu měniče – kompatibilní usměrňovač
Efektivním řešením kompatibility měniče se sítí je pouţití vstupního kompatibilního usměrňovače
místo usměrňovače diodového. Jedná se v principu o střídač, který je střídavou stranou připojen
k síti a stejnosměrnou stranou na vstup stejnosměrného meziobvodu. Kompatibilní usměrňovač
pracuje se šířkově pulsní modulací a kritériem řízení je udrţení poţadovaného napětí na
kondenzátoru v meziobvodu, odběr sinusového proudu ze sítě a odběr minimálního jalového
výkonu. Kromě toho je umoţněn při generátorickém brzdění chod energie ve směru od motoru do
sítě. Při generátorickém brzdění se tedy nemusí pouţívat brzdný rezistor a energie pohonu se vrací
Elektrické pohony a výkonová elektronika
32
Ing. Pavel Kobrle, 2013
do sítě. V případě měkké napájecí sítě lze kompatibilním usměrňovačem i filtrovat vyšší harmonické
sítě či kompenzovat jalový výkon. Podmínkou pro realizaci popsaných funkcí je, aby bylo napětí
kondenzátoru v meziobvodu vyšší neţ amplituda síťového napětí.
11.3.1.4 Odrušovací prostředky na výstupní straně měniče
Rozhodujícím kritériem pro pouţití odrušovacích prostředků na výstupu měniče je délka kabelu k
motoru. Je-li kabel kratší neţ 20 aţ 30 m, výstupní odrušovací prostředky se zpravidla nepouţívají.
Při větší délce kabelu je pouţití výstupních odrušovacích prostředků vţdy nutné. I při menších
délkách je však nutno postupovat podle podmínek konkrétní aplikace.
Nepříznivé vlivy měniče na výstupu lze omezovat několika způsoby. První moţností je zapojení
výstupních tlumivek. Ty omezí strmost nárůstu napětí du/dt na svorkách motoru a velikost
proudových a napěťových špiček. Indukčnost výstupní tlumivky se pro daný měnič volí přibliţně
jako třetina indukčnosti vstupní tlumivky.
Neúčinnějším výstupním odrušovacím prostředkem je výstupní sinusový filtr. Ten téměř beze
zbytku eliminuje rušivé účinky šířkově pulsní modulace, tj. na výstupu sinusového filtru je prakticky
sinusové napětí, výstupní proud je rovněţ sinusový. Kromě odstínění neţádoucích účinků na motor
sinusový filtr výrazně omezuje i elektromagnetické rušení. Sinusový filtr je řešen nejčastěji jako LC
-článek.
11.4 Shrnutí
Frekvenční měniče se skládají z usměrňovače, stejnosměrného meziobvodu a střídače. Jsou řízeny
pomocí řídicích obvodů.
Elektromagnetické kompatibilita frekvenčních měničů je fenomén, kterým se nutno se zabývat a
spočívá v dodrţování určitých zásad, aby se potlačily rušivé vlivy.
Rušivé vlivy jsou na napájecí síť, na výstupu měniče (nepříznivé pro motor), vysokofrekvenční
rušení.
Odstínění rušivých vlivů zajistí vstupní a výstupní odrušovací prostředky.
11.5 Kontrolní otázky
1. Jaké jsou druhy usměrňovačů?
2. Jaké jsou typy meziobvodů?
3. Jaká je funkce střídače?
4. Jaké druhy střídačů známe?
5. K čemu slouţí řídicí obvody měničů?
6. Co je elektromagnetické kompatibilita?
7. Které rušivé vlivy vznikají ve frekvenčních měničích?
8. Které vstupní a výstupní odrušovací prostředky se pouţívají?
9. Co je a jak pracuje vstupní filtr a vstupní tlumivka?
10. Co je kompatibilní usměrňovač a jak se liší od diodového?
11. Které odrušovací prostředky lze pouţít na výstupní straně měniče?
11.6 !Úkoly
1. Nakreslete blokové schéma frekvenčního měniče.
2. Doplňte blokové schéma odrušovacími prostředky.
Elektrické pohony a výkonová elektronika
33
Ing. Pavel Kobrle, 2013
12. Nepřímé frekvenční měniče – výkonové obvody a pulsně
šířková modulace
12.1  Cíl
Seznámit se se stejnosměrným meziobvodem, zapojením součástek střídače a způsobem jejich
spínání.
12.2 Klíčová slova
Stejnosměrný meziobvod napěťový, proudový, střídač, trojfázový můstek, víceúrovňový
(vícehladinový) měnič, pulsně šířková modulace.
12. 3 Obsah
12.3.1 Stejnosměrný meziobvod
Za vstupním usměrňovačem, který bývá zpravidla identický se střídačem (viz níţe) je stejnosměrný
meziobvod.
Jsou dva základní typy stejnosměrných meziobvodů: napěťové a proudové. V moderních
frekvenčních měničích i tranzistorovými IGBT střídači se pouţívají výhradně napěťové meziobvody,
o kterých bude pojednáno dále.
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, u
větších výkonů celé skupiny (baterie).
L odděluje výstupní napětí usměrňovače od vyhlazeného
napětí na vstupu střídače (na svorkách C), vyhlazuje střídavou
sloţkou proudu a omezuje proudové nárazy při přechodných
dějích.
12.3.2 Střídač
obr 12.3.2.1
Elektrické pohony a výkonová elektronika
obr. 12.3.2.2
34
Ing. Pavel Kobrle, 2013
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 – obrázek
12.3.2.1. Provedení je modulové – modul tvoří celý můstek. Do tohoto modulu přichází napětí
stejnosměrného meziobvodu Ud. (U samostatných střídačů napětí stejnosměrného zdroje).
Vícehladinové měniče: jsou vhodné pro vyšší napětí. Mají minimálně 3 hladiny (viz obrázek
12.3.2.2). Jsou různé typy, lišící se zapojením (h-můstek, s plovoucími kondenzátory, s upínacími
diodami – na obr. D0) Výstupní napětí nabývá více hodnot v závislosti na počtu hladin.
Zjednodušený výklad pulsně šířkové 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 12.3.2.3 je vidět konstrukce první harmonické ţádaného průběhu sdruţeného napětí motoru
pomocí PWM s pilovitým průběhem nosné (to je tzv. komparační metoda, jsou ale i jiné způsoby).
Frekvence nosné je stálá (spínací frekvence měniče), mění se poměr kladné a záporné části periody
(střída či duty factor).
obr. 12.3.2.3
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).
Pokud je motor zapojen do hvězdy, jak řečeno výše, 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 12.3.2.4 je průběh okamţitých hodnot sdruţeného a fázového napětí motoru
s proloţenou sinusovkou první harmonické, podle které pracuje motor.
Elektrické pohony a výkonová elektronika
35
Ing. Pavel Kobrle, 2013
obr. 12.3.2.4
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 obr. 12.3.2.5:
obr. 12.3.2.5
12.4 Shrnutí
Mezi usměrňovačem a střídačem měniče je stejnosměrný meziobvod, obvykle napěťový. Obsahuje
vyhlazovací filtr LC. Ve střídači se pouţívá zapojení spínacích součástek (hlavně IGBT tranzistorů)
do trojfázového můstku.
12.5 Kontrolní otázky
1.
2.
3.
4.
5.
Jakou funkci má stejnosměrný meziobvod, z čeho se skládá a jak tyto součástky pracují?
Jak by měl být meziobvod napájen a proč?
Jak vypadá zapojení IGBT tranzistorů do trojfázového můstku?
Co je PWM?
Jakých hodnot nabývá fázové a sdruţené napětí na výstupu střídače?
12.6 !Úkoly
1. Nakreslete zapojení silových obvodů střídače.
2. Vypište sled spínání IGBT tranzistorů při průběhu podle obr. 4!
Elektrické pohony a výkonová elektronika
36
Ing. Pavel Kobrle, 2013
13. Nepřímé frekvenční měniče – skalární řízení
13.1  Cíl
Seznámit se teoreticky s pojmem skalární řízení měniče, seznámit se s pojmem U/f křivky, poznat
jejich druhy a vlastnosti.
13.2 Klíčová slova
Skalární řízení, skluz, otáčková zpětná vazba, transformátorová rovnice, U/f křivka lineární,
kvadratická, boost.
13.3 Obsah
13.3.1 Princip skalárního řízení
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
Avšak otáčky také závisejí na skluzu – s rostoucím skluzem se sniţují. Skluz je, jak známo relativní
n n
100 % a je závislý na zatíţení. Mění
(procentní) zpoţdění rotoru za točivým polem statoru s  s
ns
se od jmenovité hodnoty v řádu jednotek %, 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.
Uvedeme zde tzv. transformátorovou rovnici, která platí rovněţ (po úpravě) pro asynchronní motory:
U  U i  4,44fNkv , kde  je magnetický tok, f frekvence, N a kv konstanty motoru (počet závitů a
činitel vinutí). 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.
13.3.2 U/f křivky
 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).
 Lineární křivka s FCC
Elektrické pohony a výkonová elektronika
37
Ing. Pavel Kobrle, 2013
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.
 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.
 Přesné řízení frekvence
V některých aplikacích, např. u textilních strojů, má proudové omezení vliv pouze na napětí, nikoliv
na frekvenci.
 Další moţnosti
Pro speciální aplikace je moţné U/f křivku naprogramovat – zadat několik bodů, např. pro zvýšení
záběrného momentu.
V ustáleném chodu je moţno pouţít ECO reţim, který optimalizuje účinnost.
Pouţití skalárního řízení: většina regulačních pohonů, které nevyţadují zcela přesné řízení otáček (aţ
80% všech pohonů).
13.4 Shrnutí
Řízení otáček pomocí změny frekvence není úplně přesné, neboť závisejí také na skluzu a tudíţ na
zatíţení. Dá se zpřesnit na základě otáčkové nebo proudové zpětné vazby. Při změně frekvence se
musí měnit i napětí kvůli magnetickému toku motoru. Při skalárním řízení se napětí měniče se mění
s frekvencí podle U/f křivek. Pro různé typy zátěţe jsou vhodné různé U/f křivky. Nejběţnější je
lineární a kvadratická U/f křivka.
13.5 Kontrolní otázky
1. V čem spočívá skalární řízení měniče?
2. Na kterých veličinách závisejí otáčky motoru?
3. Jakými způsoby lze zpřesnit skalární řízení otáček?
4. Proč se s frekvencí měniče musí měnit i napětí?
5. Co jsou U/f křivky?
6. Jaké se pouţívají druhy U/f křivek?
7. Kdy je vhodné pouţít kvadratickou U/f křivku?
13.6 !Úkoly
1. Nakreslete do jednoho grafu různé druhy U/f křivek.
2. Nakreslete vlastní programovatelnou U/f křivku, která zvýší záběrný moment.
Elektrické pohony a výkonová elektronika
38
Ing. Pavel Kobrle, 2013
14. Nepřímé frekvenční měniče – další možnosti řízení
14.1  Cíl
Seznámit se s vektorovým řízením a přímým řízením momentu, s pojmy rozběhová rampa,
doběhová rampa, jejími druhy a souvislostmi s poměry při doběhu a elektrickém brzdění.
14.2 Klíčová slova
Vektorové řízení pohonu, přímé řízení momentu, rozběh, rozběhová rampa, doběh, elektrické
brzdění, doběhová rampa.
14.3 Obsah
14.3.1 Vektorové řízení
Pouţití: pohony s vysokými nároky na přesnost a dynamiku řízení otáček, pohony s regulací
momentu - papírenské stroje, navíječky, výtahy, drtiče, dopravníky, výtlačné lisy...
Princip: oddělené řízení momentu a toku (podobně jako SSCBM) s pouţitím PWM.
Moment je úměrný momentotvorné (činné) sloţce statorového proudu Ič, tok tokotvorné (jalové)
sloţce Ij. Skutečný moment a skutečný tok se vypočítává neustále procesorem z měřených veličin I,
U, popřípadě 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. Takto se dá udrţovat tok a regulovat moment (třeba i skokem). Můţe být
nadřazená regulace otáček.
změna proudu při skokové změně momentu
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) s regulací polohy v servopohonech - navíc je zde nadřazená regulační smyčka polohy.
14.3.2 Přímé řízení momentu (DTC)
Pouţití: je alternativní k vektorovému řízení, zatím méně rozšířené.
Princip: řízení momentu prostřednictvím statorového toku bez pouţití PWM.
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 nejvýhodnější prostorový vektor napětí, který posouvá statorový tok takovým směrem, aby se
zajistil ţádaný tok a moment. Podle toho se sepnou příslušné výkonové prvky měniče. Je to nespojité
řízení. Napěťový vektor má 6 poloh, sedmou je zkratování motoru přes střídač.
Ţádané hodnoty toku a momentu dodají do jádra DTC regulátory momentu, otáček a toku.
Elektrické pohony a výkonová elektronika
39
Ing. Pavel Kobrle, 2013
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 – lineární, S nebo U podle obrázků. Tento tvar se nastavuje v závislosti
na aplikaci a poţadované dynamice. U obvyklých zátěţí stačí pouţít rampu lineární, u specifických
pracovních strojů se nastavuje typ S či U s měnitelným koeficientem zakřivení.
Nevhodné nastavení rozběhových ramp můţe vést k teplotnímu přetíţení.
Zastavení či doběh pohonu je přechodový jev, který je moţno ovlivnit řízením motoru.
Nejjednodušší je volný doběh, kdy se motor odpojí od zdroje a doba doběhu závisí jen na momentu
pracovního stroje a momentu setrvačnosti pohonu. Při elektrickém brzdění pohonu elektromotorem
vzniká navíc hnací moment opačného znaménka neţ při motorovém chodu, tedy ve směru momentu
pracovního stroje. Brzdit lze stejnosměrným proudem, do odporu (v meziobvodu) nebo rekuperací.
Dobu doběhu či brzdění je moţno díky nastavení měniče rozběhu pohonu s elektromotorem obecně
dochází k proudovému nárazu, který je moţno díky parametrizaci měniče nastavit na poţadovanou
hodnotu.
Doběhová rampa je závislost frekvence na čase. Vzniká při kaţdém rozběhu. Stejně jako
rozběhovou, tak i doběhovou rampu je často třeba nastavit podle pohonu, ale vţdy rampa souvisí s
velikostí brzdicího proudu. Při nevhodně nastavené rampě a jejím nesouladem s proudem vznikne
chyba, je podřízena maximálnímu proudu. Frekvenční měniče umoţňují nastavit rampy různých
tvarů – lineární, S nebo U podle obrázků. U obvyklých zátěţí stačí pouţít rampu lineární, u
specifických pracovních strojů se nastavuje typ S či U s měnitelným poloměrem zakřivení.
14.4 Shrnutí
Vektorové řízení frekvenčních měničů a přímé řízení momentu jsou další, náročnější způsoby řízení.
Pouţívají se tehdy, je-li nutná vysoce přesná regulace otáček nebo je-li třeba regulovat moment nebo
úhel natočení.
Rozběh a doběh či brzdění pohonu probíhá podle tzv. rozběhové rampy, kterou je třeba v měniči
nastavit. Je podřízena maximálnímu proudu. Existují rampy lineární, typu S a U.
Elektrické pohony a výkonová elektronika
40
Ing. Pavel Kobrle, 2013
14.5 Kontrolní otázky
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Na jakém principu se provádí vektorové řízení frekvenčního měniče?
Jaký je princip přímého řízení momentu?
Jaké známe typy rozběhových ramp?
Jak se projeví na pohonu nastavení velkého koeficientu zakřivení?
Jak souvisí doběhová rampa s maximálním proudem motoru?
Jaké známe typy doběhových ramp?
14.6. !Úkoly
1. Porovnejte princip vektorového řízení a přímého řízení momentu.
2. Vysvětlete pojem rozběhová a doběhová rampa.
3. Nakreslete rampu typu S.
Elektrické pohony a výkonová elektronika
41
Ing. Pavel Kobrle, 2013
Download

Elektrické pohony a výkonová elektronika