Frekvenční měnič (FM) je zařízení pro řízení otáček střídavého 3-fázového elektrického motoru. Toto je umožněno přeměnou kmitočtu 3f-sítě 50 Hz a jejího napětí na na hodnoty, které lze regulovat.
Výhody frekvenčního měniče :
Výhody frekvenčního měniče :
- Úspora energie
- Možnost přesného nastavení otáček motoru a tím i možnost optimalizovat výrobu
- Nižší náklady na údržbu, zlepšení výrobního procesu a jeho kvality, zlepšení pracovního prostředí.
Frekvenční měnič lze rozdělit do čtyř oddílů
1. Usměrnovač
Je napájen jedno- nebo třífázovým napětím ze sítě a na svém výstupu má pulzující napětí. Jsou dva základní typy usměrnovače – řízený a neřízený.
2.Střední část (meziobvod)
Existují tři typy:
- Typ, který mění napětí usměrnovače na stejnosměrný proud
- Typ, který stabilizuje a vyhlazuje pulsující napětí a dodává ho do silové části FM.
- Typ, který mění konstantní napětí z usměrnovače na proměnné napětí
3. Silová část (měnič) FM
Vytváří kmitočet napětí které jde k motoru. Některé typy této silové části dokáží také měnit konstantní ss
napětí na proměnné napětí.
napětí na proměnné napětí.
4. Řídící elektronika
Řídící elektronika posílá a přijímá signaly z a do usměrnovače, meziobvodu a silové části. Přesně,
do kterých částí a jak řízení probíhá závisí na konstrukci FM.
Společné pro všechny FM je, že signály z řídících obvodů ovlivnují silové polovodičové součástky aby střídavě vedly a nevedly elektrický proud z Meziobvodu FM. Způsob / vzorek řízení lze postavit dle různých principů a často se FM dělí právě podle tohoto vzorku, který řídí napájení motoru
do kterých částí a jak řízení probíhá závisí na konstrukci FM.
Společné pro všechny FM je, že signály z řídících obvodů ovlivnují silové polovodičové součástky aby střídavě vedly a nevedly elektrický proud z Meziobvodu FM. Způsob / vzorek řízení lze postavit dle různých principů a často se FM dělí právě podle tohoto vzorku, který řídí napájení motoru
Proudově řízený měnič – CSI (current source inverter) (1+3+6)
Pulsně-amplitudově modulovaný měnič PAM (1+4+7) (2+5+7)
Pulsně-šířkově modulovaný měnič PWM / VVC plus (2+4+7)
Pulsně-amplitudově modulovaný měnič PAM (1+4+7) (2+5+7)
Pulsně-šířkově modulovaný měnič PWM / VVC plus (2+4+7)
Aby byla informace kompletní, je třeba dodat, že existují “přímé měniče“ , které nemají meziobvod. Takové měniče se používají ve výkonové oblasti MegaWatt, aby generovaly nízkofrekvenční napětí přímo ze sítě 50 Hz. Jejich maximální kmitočet je 30 Hz.
USMĚRŇOVAČ
Napájecí napětí je jedno- nebo třífázovým střídavé napětí s pevným kmitočtem např. 3 x 400 V/50 Hz nebo 1 x 240 V/50 Hz Hz).
Z obrázku vyplývá, že tři fáze jsou časově posunuté a že fázová napětí stále mění polaritu. Kmitočet udává, kolikrát za vteřinu se tato změna stane. Když je kmitočet 50 Hz, vykoná fázové napětí 50 period za vteřinu (50 x T).
To znamená, že jedna perioda trvá 20 milisekund.
Usměrňovač v FM se může sestávat pouze z diod, pouze z tyristorů nebo kombinovat obojí. Usměrňovač s pouze diodami se nazýváneřízený a usměrňovač s pouze tyristory plně řízený. Tam, kde jsou diody a tyristory kombinované se používá nazev polořízený. Když 3f napětí připojíme k 3f usměrňovači, dostaneme pulzující ss napětí.
To znamená, že jedna perioda trvá 20 milisekund.
Usměrňovač v FM se může sestávat pouze z diod, pouze z tyristorů nebo kombinovat obojí. Usměrňovač s pouze diodami se nazýváneřízený a usměrňovač s pouze tyristory plně řízený. Tam, kde jsou diody a tyristory kombinované se používá nazev polořízený. Když 3f napětí připojíme k 3f usměrňovači, dostaneme pulzující ss napětí.
Výstupní napětí z neřízeného usměrňovače je rozdíl mezi napětími obou skupin diod A a B. Pulzující stejnosměrné napětí ma střední hodnotu je 1,35 x síťového napětí.
STŘEDNÍ ČÁST (meziobvod) FM
Střední část může být považována za sklad odkud motor přes měnič čerpá svou energii. Střední částmůže být postavena dle třech různých principů, záleží na typu usměrňovače a silové části měniče které ji budou používat.
U proudově řízené silové části se střední část okruh se skládá z velmi velké cívky. Tento typ střední části se používá pouze ve spojení s plně řízeným usměrňovačem. Cívka převádí proměnné napětí z usměrňovače na stejnosměrný proměnný ss proud. Zatížení určuje jak vysoké napětí se dodává do motoru.
U napěťově řízeného měniče se střední část FM skládá z filtru sestávajícího z kondenzátoru a cívkou. Tento typ meziobvodu lze kombinovat s oběma typy usměrňovačů. Filtr vyhlazuje pulsující stejnosměrného napětí UZ1 které dodává usměrňovač . Pokud se jedná o plně řízený usměrňovač, je udržováno konstantní napětí při dané frekvenci a je dodáván s měničem jako čistě stejnosměrného napětí, jehož hodnotu UZ2 lze měnit.
U proudově řízené silové části se střední část okruh se skládá z velmi velké cívky. Tento typ střední části se používá pouze ve spojení s plně řízeným usměrňovačem. Cívka převádí proměnné napětí z usměrňovače na stejnosměrný proměnný ss proud. Zatížení určuje jak vysoké napětí se dodává do motoru.
U napěťově řízeného měniče se střední část FM skládá z filtru sestávajícího z kondenzátoru a cívkou. Tento typ meziobvodu lze kombinovat s oběma typy usměrňovačů. Filtr vyhlazuje pulsující stejnosměrného napětí UZ1 které dodává usměrňovač . Pokud se jedná o plně řízený usměrňovač, je udržováno konstantní napětí při dané frekvenci a je dodáván s měničem jako čistě stejnosměrného napětí, jehož hodnotu UZ2 lze měnit.
SILOVÁ ČÁST (MĚNIČ)
Měnič je poslední část před motorem. Je to místo, kde je výstupní napětí konečně přizpůsobeno požadavkům motoru. Měničnastavuje výstupní napětí požadavkům zátěže, aby měl motor dobré pracovní podmínky v celém regulačním rozsahu. Je tedy možné udržet optimální magnetizaci motoru i mimo jmenovitý provozní bod.
Ze střední části přichází k měniči buď:
• Variabilní stejnosměrný proud
• Variabilní stejnosměrné napětí
• konstantní stejnosměrné napětí
Ze střední části přichází k měniči buď:
• Variabilní stejnosměrný proud
• Variabilní stejnosměrné napětí
• konstantní stejnosměrné napětí
Ve všech třech případech musí měnič dodat motoru variabilní střídavé napětí. Jinými slovy, měnič musí generovat napětí o frekvenci, kterou motor vyžaduje. Když je proměnný proud nebo napětí dodáno do měniče, musí tento vytvořit frekvenci. Pokud je konstantní napětí dodáno do měniče, musí tento vytvořit frekvenci a amplitudu výstupního napětí. I když měnič může pracovat různými způsoby, jsou konstruovány podobně. Hlavními složkami jsou řízené polovodiče, spojené ve dvojicích do třech větví. V měničích dominujítranzistory IGBT. Jedná se o bipolární tranzistory s izolovaným gate. Ty mohou přepínat velmi rychle mezi vodivým a blokováným stavem. V porovnání s tyristory, mají tranzistory tu výhodu, že mohlou vést nebo blokovat kdykoliv během periody. Tyristor ve vodivém stavu nelze zavřít dokud napětí na něm neprojde nulou. Pokud je třeba tyristor zavřít v jiném čase, jsou třeba speciální zhášecí obvody.
IGBT :
Dalším krokem jsou výkonové moduly IPM.(Intelligent Power Modules) Hybridní výkonové moduly kombinující vysokou rychlost spínání, nízké ztráty, optimalizované předzesilovače výkonových tranzistorů, vstupní usměrňovač, ochranné obvody, brzdový spinač. Kompletní modul.
Tranzistory také umožňuje vyšší spínací frekvence (switch frequency) . Maximální četnost spínání u tyristorů je 2 kHz, zatímco prvky, jako jsou IGBT dosahují asi 20 kHz. Je tak možné zvýšit frekvenci spínání měniče z 300 Hz až do 20 kHz.
Polovodiče v měniči vedou nebo nevedou proud dle signálů, které dostávají od řídććh obvodů. Existuje několik principů jejich řízení.
Měniče, které se používají společně se středními obvody pro variabilní proud, se sestávající v podstatě ze šesti diod, šesti tyristorů a šesti kondenzátorů.
Koncový měnič pro meziobvod s variabilním proudem
Kondenzátory jsou nabíjeny energií potřebnou pro sepnutí a zhasnutí tyristorů, a proto jsou přizpůsobeny velikosti motoru. Právě kondenzátory umožňují sepnout a vypnutí tyristorů tak, že vinutí motoru vznika struktura impulsů, vzájemně posunutých 120°. Když se napajecí napětí motoru pripojí svorky motoru U-V, V-W, W-U ...... Vznikne ve statoru rotující magnetické pole s požadovanou frekvencí. Proudy motoru budou téměř obdélníkového tvaru, ale motorová napětí budou téměř sinusová. Vrcholy napětí totiž vzniknou, když proud sepne nebo vypne. Diody fungují jako blokovací prvky mezi kondenzátory a zátěžovým proudem motoru.
Měnič pro střední obvod s proměnným nebo konstantním napětím a
výstupním proudem přizpůsobeným pro spínací frekvenci měniče.
výstupním proudem přizpůsobeným pro spínací frekvenci měniče.
V měniči pro tento typ středního obvodu je šest spínacích prvků. Funkce měniče je v podstatě stejná bez ohledu , který typ polovodiče se použije. Řídicí obvody spínají a vzpínají výkonové polovodičové prvky dle jednoho z několika možných principů (modulace), čímž se dosáhne změny výstupního kmitočtu.
Jedním z principů je, že měnič pracuje s variabilním napětím nebo proudem. Intervaly, během kterých jednotlivé polovodičové prvky vedou nebo blokují jsou jsou řízeny ve vhodných sekvencích,tyv. modulačních vzorcích, které se stále opakují aby se získala požadovaná výstupní frekvence Tyto sekvence jsou řízeny hodnotami napětí a proudu na meziobvodu.
Je-li použit napěťově řízený oscilátor, je frekvence je vždy závislá na amplitudě napětí. Tento způsob ovládání měniče se proto nazývápulzně-amplitudové modulace, PAM (Pulse Amplitude Modulation).
Druhý princip používá pevné stejnosměrné napětí. Z tohoto konstantního napětí sevytvoří proměnné napětí motoru tím, že se řídí časový interval, během kterého se udržuje toto stejnosměrrné napětí připojeno k vinutí motoru.
Proměnná frekvence se získá změnou přepínání napěťových pulzů pna časové ose - pozitivní napětí během poloviny cyklu, a negativní v druhé polovině cyklu. Protože tímto způsobem ovládaný měnič mění šíři impulsu, je tato modulace známá jako metoda pulzně-šířkové modulace, PWM (Pulse Width Modulation). PWM (a příbuzné metody, (jako je sinusově řízená PWM) jsou nejčastější způsoby ovládání měniče.
V tradiční PWM definují řídící obvody body spínání a blokování polovodičových součástek jako průsečíky mezi trojúhelníkovým napětím a na stejné ose přidaným sinusovým referenčním napětím (sinusově řízená PWM). V jiných technikách PWM, jako je Danfoss WC a WCplus, používají se další prostředky pro definici bodů spínání a blokování.
Tranzistory
Tranzistory zvládnou vysoké spínací frekvence, což umožňující snížit typický magnetický hluku motoru "pulzní magnetizace". Další výhodou tranzistorů je, že vysoké spínací frekvence modulace výstupního napětí jsou velmi flexibilní. Řídíci obvody frekvenčního měniče sepnou/vypnou tranzistor dle vzoru, který se hodí nejlépe. Tímto lze dosáhnout téměř perfektní sinusovky na svorkách motoru.
Vliv spínací frekvence na proud motoru.
Spínací frekvence měniče je kompromis. Vysoké frekvence vedou k vysokému zahžívání motoru, protože ztráty v motoru stoupají s rostoucí spínací frekvencí. Nízké spínací frekvence a mohou mít za následek rušivý hluk z motoru.
Vysokofrekvenční tranzistory lze delit do tří hlavních typů:
• bipolární (LTR),
• Unipolární (MOSFET),
• bipolární s izolovanou gate (IGBT).
IGBT tranzistor se chová jako kombinace LTR a MOS-FET. Má vlastnosti MOS-FET tranzistoru na vstupu a a charakteristiky bipolárního tranzistoru (LTR ) na výstupu. Pokud jde o rozsah výkonů, vodivosti, spínací frekvence a jednoduchého ovládáním je IGBT tranzistor se velmi vhodný pro moderní frekvenční měniče. Je to proto v současné době nejpoužívanější typ.
U moderních měničů s IGBT tranzistory jsou obě složky – vlastní tranzistory a jejich řídící prvky vložené do jednoho modulu s názvem "Intelligent Power Module» IPM.
Vysokofrekvenční tranzistory lze delit do tří hlavních typů:
• bipolární (LTR),
• Unipolární (MOSFET),
• bipolární s izolovanou gate (IGBT).
IGBT tranzistor se chová jako kombinace LTR a MOS-FET. Má vlastnosti MOS-FET tranzistoru na vstupu a a charakteristiky bipolárního tranzistoru (LTR ) na výstupu. Pokud jde o rozsah výkonů, vodivosti, spínací frekvence a jednoduchého ovládáním je IGBT tranzistor se velmi vhodný pro moderní frekvenční měniče. Je to proto v současné době nejpoužívanější typ.
U moderních měničů s IGBT tranzistory jsou obě složky – vlastní tranzistory a jejich řídící prvky vložené do jednoho modulu s názvem "Intelligent Power Module» IPM.
Pulzně šířková modulace (PWM)
Pulsní šířková modulace je nejobvyklejší metoda pro generování třífázového napětí s odpovídající frekvencí.
S PWM se spíná celé napětí do a z výkonové elektroniky. Šířka pulzu a frekvence se může měnit a tím lye dosáhnout proměnného výstupního napětí.
Existují tři hlavní typy PWM měniče, které se liší dle vzoru spínání.
1. Sinusově řízené PWM
2. Synchronní PWM
3. Asynchronní PWM
Každá větev tří-fázového PWM měniče má dva režimy, sepnuto respektive vypnuto. Tím vzniká celkově osm stavů pro měnič a 8 napětových vektorů na výstupu měniče nebo na svorkách statoru připojeného motoru. Na obrázku ukazuje, jak se tyto vektory mohou rozprostírat v šestiúhelníku. Tímto představují špičky vektorů 100, 110, 010, 011, 001 a 101 rohové body , zatímco vektory 000 a 111 mají význam nulových vektorů. Spínací kombinace 000 a 111 má stejný potenciál - potenciál středního obvodu plus nebo na všech třech výstupech měniče. Pro motor, je to téměř stejný účinek jako zkrat mezi svorkami jeho připojení, a tím je napětí přiváděné na vinutí motoru 0 V.
S PWM se spíná celé napětí do a z výkonové elektroniky. Šířka pulzu a frekvence se může měnit a tím lye dosáhnout proměnného výstupního napětí.
Existují tři hlavní typy PWM měniče, které se liší dle vzoru spínání.
1. Sinusově řízené PWM
2. Synchronní PWM
3. Asynchronní PWM
Každá větev tří-fázového PWM měniče má dva režimy, sepnuto respektive vypnuto. Tím vzniká celkově osm stavů pro měnič a 8 napětových vektorů na výstupu měniče nebo na svorkách statoru připojeného motoru. Na obrázku ukazuje, jak se tyto vektory mohou rozprostírat v šestiúhelníku. Tímto představují špičky vektorů 100, 110, 010, 011, 001 a 101 rohové body , zatímco vektory 000 a 111 mají význam nulových vektorů. Spínací kombinace 000 a 111 má stejný potenciál - potenciál středního obvodu plus nebo na všech třech výstupech měniče. Pro motor, je to téměř stejný účinek jako zkrat mezi svorkami jeho připojení, a tím je napětí přiváděné na vinutí motoru 0 V.
Sinusově řízené PWM
U sinusově řízeného PWM se používá sinusové referenční napětí (Us) pro každý ze 3 výstupů měniče. Doba trvání jedné periody sinusového napětí odpovídá požadované základní frekvenci výstupního napětí. Tři referenční napětí jsou ve srovnána s trojúhelníkovým napětím UA
(viz obr. 2.22).
Polovodičové spínače se spínají a vypínají v místech křížení trojúhelníkového a sinusového napětí .
Kontrolní karta (control board) srovnává napětí a zjistí průsečíky. Pokud trojúhelníkové napětí je vyšší než sinusové napětí, přepne výstupní puls z pozitivní na negativní (nebo naopak), když se snižuje trojúhelníkové napětí. Maximální výstupní napětí frekvenčního měniče je určeno stejnosměrným napětím na kondenzátorech mezi-obvodu. Výstupní napětí je funkcí poměru mezi počátkem času v poloze sepnuto respektive vypnuto, a tím, a díky řízení tohoto poměru (změna časů), lze měnit výstupní napětí. Amplituda pozitivní a negativní napětí impulsu tedy odpovídá polovině napětí mezi-obvodu.
Při nízkých frekvencích se prodlužuje doba, kdy jsou tranzistory zavřeny. Čas může být tak dlouhý, že trojúhelníkové napětí nemůže být zachováno. Doba bez napětí je příliš dlouhá a motor nepůjde hladce. Aby k tomu nedocházelo, lze zdvojnásobit frekvenci trojúhelníkového napětí při nízkých frekvencích.
Fázové napětí na výstupu frekvenčního měniče je polovinou napětí meziobvodu děleno √3 ~ a je tak rovná polovině napájecího napětí. Hlavní napětí na výstupu frekvenčního měniče je √3 ~ krát fázové napětí a tím se rovnají 0.866 krát napětí napájecí sítě.
PWM měnič, který pracuje výhradně se sinusovou referenční modulací může dodávat až 86,6% jmenovitého napětí.
Výstupní napětí nemůže dosáhnout nominálního napětí motoru, ale bude o 13% nižší.
Toto extra napětí je však zapotřebí a lze jej získat snížením počtu impulsů, kdy frekvence přesáhne cca 45 Hz, ale tento postup má některé nevýhody. Napětí se zvyšuje schodovitě čímž se proud motoru může stát nestabilním. Pokud se počet pulsů snižuje, podíl vyšších harmonických na výstupu frekvenčního měniče se zvyšuje, což vede k větším ztrátám v motoru.
Dalším způsobem, jak tento problém vyřešit, je použít jiné referenční napětí než tři sinusové reference. Lze používat celou řadu křivek, jako je trapézové nebo obdélníkové napětí.
Často se používá třetí harmonická referenčního napětí. Zvýšením referenční amplitudy o 15,5% a přidáním třetí harmonické, je možné získat modulační vzorek pro měnič, který zvýší výstupní napětí.
Ilustrativní snímky základních prvků frekvenčního měniče
1. baterie kondenzátorů, dva a dva spojeny v sérii
2. Výkonové rezistory připojené paralelně ke kondenzátorům. Zajišťují rovnoměrné rozložení
napětí na kondenzátorech
3. Varistory VDR, ochrana kondenzátorů před špičkami napětí ze sítě
4. Proudový transformátor - měří výstupní proud k motoru
5. IGBT - modul výkonových tranzistorů
6. Kabely ke vstupnímu usměrňovači
7. Opto-obvody - přenášejí řídící signály k zesilovačům signálu pro gate u IGBT
8. Spínaný zdroj pomocných napětí pro měnič
9. Transformátor řídících signálů
10. kabel pro připojení brzdového chopperu
11. zesilovače řídících signálů pro gate u IGBT
12. Konektory pro připojení ventilátorů, řídící signál brzdového chopperu ap.
13. Kabel pro připojení ke kartě řídících obvodů.
2. Výkonové rezistory připojené paralelně ke kondenzátorům. Zajišťují rovnoměrné rozložení
napětí na kondenzátorech
3. Varistory VDR, ochrana kondenzátorů před špičkami napětí ze sítě
4. Proudový transformátor - měří výstupní proud k motoru
5. IGBT - modul výkonových tranzistorů
6. Kabely ke vstupnímu usměrňovači
7. Opto-obvody - přenášejí řídící signály k zesilovačům signálu pro gate u IGBT
8. Spínaný zdroj pomocných napětí pro měnič
9. Transformátor řídících signálů
10. kabel pro připojení brzdového chopperu
11. zesilovače řídících signálů pro gate u IGBT
12. Konektory pro připojení ventilátorů, řídící signál brzdového chopperu ap.
13. Kabel pro připojení ke kartě řídících obvodů.
1. kondenzátory meziobvodu
2. Kondenzátory vstupního EMC filtru
3. Tlumivka vstupního EMC filtru
4. Řídící obvody
5. Chladič modulu IPM - rozšířený IGBT
2. Kondenzátory vstupního EMC filtru
3. Tlumivka vstupního EMC filtru
4. Řídící obvody
5. Chladič modulu IPM - rozšířený IGBT
没有评论:
发表评论