NADPIS C - EduPagesostrv.edupage.org/files/vykonovka.docx · Web viewMeniče frekvencie sú výkonové polovodičové meniče, ktoré zabezpečujú plynule riadenie otáčok 3-fázových

STREDNÁ ODBORNÁ ŠKOLA, Hviezdoslavova 5 Rožňava Ing Szanyi VÝKONOVÁ ELEKTRONIKA

1. ZÁKLADNÉ POJMY1.1 DEFINÍCIA POLOVODIČOVÝCH SPÍNAČOV A ICH ROZDELENIE

1.1.1 SPÍNAČE

Výkonová elektronika je elektrotechnický odbor, ktorý sa zaoberá projekciou, stavbou a prevádzkou výkonových polovodičových meničov (VPM). VPM majú v sebe zabudované výkonové súčiastky (VPS). Výkonová elektronika nás obklopuje na každom kroku v podobe VPM a teda jednej časti VE v podobe strojov buď analógových alebo spínacích. Obsahom VE je:

1. Fyzikálna teória elektronických súčiastok2. Technológia výroby elektronických súčiastok3. Teória elektronických spínačov a meničov4. Projektovanie elektronických spínačov a meničov5. Technológia výroby elektronických spínačov a meničov6. Prevádzka elektronických spínačov a meničov

VA Charakteristika spínača

I [A] a, I = variabilné; U = 0; R = 0;Spínač zap.; I > 0;

b, I = var.; U = 0; R = 0; a spínač zap.; I < 0; (prepólovaný

zdroj regulujeme buď na vstupnej zdrojovej strane alebo výstupnejstrane alebo na obidvoch stran.)

d c 0 c, I = 0; U > 0; R = ∞; spínač rozop.

- U [V] U [V] U – var.

b d, I = 0; U < 0; R = ∞; spínač rozop.U – var ( veľkosť napätia

môžeme regulovať len na vstupnejstrane.)

- I [A]

1


U

IB

Elektronický obvod so spínačom + I UB

- Z UZ

IB

Teraz sa pokúsime zistiť ako sa správa spínač v elektronickom obvode, teda aký ma vplyv na elektronický obvod.

u t

SP t

uZ

tSP

t

t

Zdroj je človek, ktorý tancuje v zatemnenej miestnosti, čiže zdroj alebo záťaž ho nemôžu vidieť. Uvidia ho až od nejakej polohy v ktorej sa nachádzal pri zapnutí svetla.

1.1.2 ROZDELENIE VPM

usmerňovač striedač

jednosmerný menič striedavý menič

Usmerňovač mení elektrické striedavé veličiny na vstupe na jednosmerné elektrické veličiny na výstupe. Striedač mení jednosmerné vstupné elektrické veličiny na striedavé výstupné elektrické veličiny. Jednosmerný menič mení vstupné elektrické veličiny na výstupné jednosmerné elektrické veličiny iných parametrov.

2

~=

==

~~

=~

+

STREDNÁ ODBORNÁ ŠKOLA, Hviezdoslavova 5 Rožňava Ing Szanyi VÝKONOVÁ ELEKTRONIKAStriedavý menič mení vstupné elektrické veličiny jednotlivých parametrov na výstupné elektrické veličiny iných parametrov.

1.2 VÝKONOVÉ POLOVODIČOVÉ SÚČIASTKY

Vo výkonovej elektronike sa používajú tieto súčiastky: - dióda- tyristor- diak- triak- tranzistor

- tripolárny a unipolárny

tranzistor- moderné GTO, IGBT, IGCT

1.2.1 DIÓDA

minoritné nosiče náboja

majoritné nosiče náboja

Polovodiče typu P dostaneme tak, že z kryštálov kremíka odoberieme elektróny z väzieb takže ostanú po nich voľné miesta – diery a tieto sú v polovodičoch typu P majoritný nosiči náboja. Pokiaľ do kremíkovej atómovej väzby pridáme elektróny, budú tam nazvyš a takto dostaneme polovodič typu N. Takže majoritnými nosičmi náboja v N vodiči sú elektróny. Ak dáme k sebe polovodič typu PN, tak vplyvom difúznych síl sa na styku vymenia elektróny s dierami ako je to na obrázku, čím sa stanú tieto nosiče minoritnými nosičmi náboja.

+ -

R +

3

P - + N + -

P - + N + -


Ak priložíme napätie, zúži sa šírka priechodu, elektróny sú odpudzované, čiže dióda je v priepustnom stave.

- +

+ R

Na obrázku je nakreslená dióda v priepustnom stave kde šírka bariéry je širšia a diódou tečie veľmi malý prúd od minoritných vodičov. Nadviažeme na VA charakteristiku ideálneho spínača.

VA charakteristika polovodičovej diódy

IF

UBR

URSM

URRM

URWM

UR UF

UTO = 0,6V

IR

UTO – prahové spínacie napätieURWM – špičkové, prahové, záverné napätieURRM – špičkové, záverné, opakovateľné napätieURSM – špičkové záverné neopakovateľné napätieUBR – prierazné napätie

u

I t It

Irr 0,1 t

Javu kedy vypne dióda hovoríme, že ide o komutáciu diódy. Z priechodu vidíme že pri vypínaní diódy sme naraz zmenili polaritu, ale dióda okamžite nevypne. Vypne až po čase Irr.

4

P - + N + -


Ir – záverný zotavovací prúdIrr – zotavovací čas

Diódu nazývame neriadenou súčiastkou. Nasledujúce súčiastky budú riadené.

1.2.2 TYRISTOR

A A A A IA

UAK G UAK G G

G IG

K K K K

Tyristor je riadená polovodičová súčiastka a sú dva typy tyristorov – PNPN a NPNP

IA

URWM

URRM priepustná URSM charakteristika

IL IG3 IG2 IG1

UBR IH

-UAK UAK

UB01 UB02 UB03

záverná charakteristika

IR

Sú dva spôsoby zapnutia tyristorov. Prekročíme hodnotu tyristora v priepustnom smere a tyristor sa zapne (tento spôsob sa ale nepoužíva). V priepustne napätie tyristora pustíme z G hradlovým impulzom krátky pulz do hradla G, čím dôjde k zapnutiu, čiže priechodu priepustnej z priepustnej na priepustnú charakteristiku. Pozor ale záťaž musí byť tak nastavená aby sme v priepustnom stave neklesli pod IH lebo sa tyristor vypne. Musíme skočiť na hodnotu IL. V závernom smere sa tyristor vypína rovnako ako dióda.

Je potrebné si uvedomiť že tyristor pokiaľ ho raz hradlovým impulzom zapneme je trvalo zapnutý. Impulz stačí aj krátky a môžeme ho vypnúť dvoma spôsobmi:

1. V striedavom obvode je periodický vypínaný každú zápornú polperiódu. 2. V jednosmernom obvode, tam nastáva problém. Nemožno sa dostať

do závernej časti VA ako v predchádzajúcom prípade bola perióda. V jednosmernom obvode na vypnutie potrebujeme tzv. komutačný obvod.

5

NPNP

PNPN


- +Z

CNa obrázku je primitívna schéma komutačného obvodu. Je potrebne zabezpečiť

aby kondenzátor v čase keď vedie prúd aby sa nabil na vyznačenú polaritu a keď potrebujeme tyristor vypnúť zapne sa spínač, čím sa pripojí záverné napätie na tyristor a vieme podľa VA charakteristiky že vtedy tyristor vypne. Spínač je zriedka mechanický. Vo väčšine prípadov ide o elektronický spínač.

1.2.3 TRIAK IA2

A2 IL1 IG

IH1

IA

U21 -U21 U21

IH2

G IL2

IG IG

A1 - IA2

Tyristor bol riadená nesymetrická súčiastka. Triak je riadená symetrická súčiastka t.j. je riadený v oboch polperiódach striedavého napätia. V jednosmernom obvode je teraz riadený v obidvoch polaritách.

1.2.4 DIAK

IA2

A2

U21 UB02

A1 -UB1 UB1

UB01

-IA2

6


Ide o symetrickú riadenú súčiastku s vývodmi pre hradlové impulzy a tato súčasne spína prekročené hodnoty napätia buď v kladnom alebo zápornom smere. Používajú sa ako pomocné spínacie súčiastky vo VPM.

1.2.5 BIPOLÁRNE TRANZISTORY

C CC E

B B N P N

BE E

NPN PNP

Bipolárny tranzistor je trojvrstvová súčiastka. Bipolárny sa volá preto že na vedení prúdu sa podieľajú aj elektróny aj diery. Na rozdiel od tyristora, tranzistor vedie len do vtedy, dokiaľ tečie prúd do bázy. Ak zanikne prúd do bázy, tranzistor sa vypne. Nepotrebujeme komutačné obvody pre vypnutie tranzistora na rozdiel od tyristora. Vo výkonovej elektronike používame tranzistory typu NPN a zásadne v spínacom nie zosilňovaco režime. Základný poznatok pre nás je pokiaľ používame tranzistor v spínacom režime stačí do bázy púšťať len pulz. Nedávame tam signál s premenlivou amplitúdou. Najcharakteristickejšou vlastnosťou tranzistora je jeho zosilnenie, t.j. koľkokrát je väčší konektorový prúd oproti bázovému prúdu.

h21E=B=ICIB

¿¿U – UCE – RIC = 0

IC = U−UCE

R

Veľkosť konektorového prúdu možno jednoducho odvodiť od schémy tranzistora v spínacom obvode. Vidíme že veľkosť treba vedieť vypočítať aby sme vedeli stanoviť pracovný bod pri zapnutí. Následná VA charakteristika nám zobrazuje pomery v spínacom režime, čiže v spínacom režime sa pohybujeme len vo vyšafrovaných plochách. V dolnej je tranzistor vypnutý a v hornej zapnutý. Následný výpočet ukazuje zaujímavé zapojenie tzv. Darlingtonové zapojenie dvoch tranzistoroch. Toto zapojenie je dobré vtedy ak potrebujeme veľmi veľký prúdový činiteľ.

IC1 IC IC

C U/R IC1 = B1IB1

zap. IC2 = B2IB2

IB1 IC2 IB3 = IC1IB1

B T1 oblasť nasýtenia

7

STREDNÁ ODBORNÁ ŠKOLA, Hviezdoslavova 5 Rožňava Ing Szanyi VÝKONOVÁ ELEKTRONIKA IB2 IB2 > IB1

T2 IB > 0 β = ICI B1

= IC 1+ IC2

I B1

IB3 IB = 0E

Darlinktonové zapojenie UCE

vyp.

1.2.6 UNIPOLÁRNE TRANZISTORY

Ako nám hovorí názov na vedení prúdu sa podieľa iba jeden typ nosiča náboja. Unipolárne tranzistory sa delia v zásade na dve skupiny a síce na:

JFET (junction field effect transistor) prechodové jadroIGFET( isultate gate field effect transistor) izolované jadro

G + D S - + D IGFET

SiO2

G

S V

IP R R

D D

UDC UDC

G G

UGS UGS

S S

ID -USD

UGS min.

UDS -ID

Unipolárne tranzistory ako sám názov tvrdí, u nich sa na vedení prúdu podieľa len jedené nosiče náboja, buď elektróny alebo diery. Unipolárne tranzistory sa delia

8

P

STREDNÁ ODBORNÁ ŠKOLA, Hviezdoslavova 5 Rožňava Ing Szanyi VÝKONOVÁ ELEKTRONIKAna dve skupiny JFET a IGFET. Delia sa ešte na obohacovacie a ochudobňovacie typy.

Obohacovacie sú také, kde sa obohacovaním zvyšuje vodivý kanál teda zväčšuje sa aj prúd tečúci v DS.

Ochudobňovacie sú také, u ktorých zvyšovaním napätia UGS sa znižuje vodivý kanál v smere DS. Vo výkonovej elektronike sa takmer výhradne používajú tranzistory IGFET s obohacovacím kanálom N. Ako vidíme zo štruktúry máme tranzistor obohacovací s IGFET. Zvyšovaním napätia IGS dochádza k zužovaniu priestoru P a rozširovaniu kanálu N čím sa zvyšuje aj prúd, o čom svedči aj VAcharakteristika. K nej je priradená pomocná nakreslená schéma. Pre typ P je taktiež pomocná schéma ale napäťové a prúdové pomery sú opačné. Veľkou nevýhodou unipolárnych tranzistorov je , že na rozdiel od bipolárnych tranzistorov nemusia mať na vstupnej strane výkonové budiče, pretože ako s princípu vidíme ide o napäťovo riadiace súčiastky, pretože G je odizolované od substrátu oxidovou vrstvou takže medzi nimi tečie veľmi malý prúd a keď vezmeme vzťah pre výkon P=U.I keď je malý prúd a znížené napätie celkový výkon bude malý a z toho vyplýva znížená spotreba unipolárbych tranzistorov oproti bipolárnym tranzistorom. Veľmi veľká nevýhoda unipolárnych tranzistorov je, keďže sú to napäťovo riadené súčiastky, môžu sa zničiť neopatrnou manipuláciou elektrostatickou elektrinou. Nemajú takú prúdovú zaťažiteľnosť ako bipolárne tranzistory.

1.2.7 VYPÍNACIE TYRISTORY GTO

(Gate turn off)Pre tieto tyristory je význačné, že pulzom do hradla sa zapínajú a opačným sa

vypínajú.

Na obrázku je značka a pomocná schéma vysvetľujúca zapínanie a vypínanie GTO. Nasledovná schéma je náhradnou schémou, ktorá vystihuje podstatu GTO. Ide podstate o zapojenie dvoch bipolárnych tranzistorov s opačným typom vodivosti.

Z

SON RON UFG USS URG

A SOFF LOFF

T2 A9


T1 G G K

K

1.2.8 VYPÍNACIE TYRISTORY IGBT

(Insolited Gate Bipolar Tranzistor )Tento typ tranzistora spája v sebe vlastnosti unipolárnych a bipolárnych

tranzistorov, kde na vstupnej strane je unipolárny tranzistor a na výstupnej bipolárny tranzistor. Nizkospotrebné vodiče na vstupe a vysokospotrebné vodiče na výstupe. Sú schopne spínať z vysokou frekvenciou

Následné obrázky ukazujú značku a nakreslené schémy.

C C C

GG G

E E E

1.2.9 VYPÍNACIE TYRISTORY IGCT

( Integrated Gate Comunated Thyristor )Ide o ďalšiu z uvedených spínacích súčiastok. V podstate je to GTO tyristor

s tím, že je vylepšený a to tak, že budiace obvody sú za implementované v puzdre, čim sa zjednodušuje ovládanie a zapojenie tohto tyristora

1.2.10 CHLADENIE POLOVODIČOVEJSÚČIASTKY

10


Pre nízke výkony používame súčiastky bez chladičov, pre vyššie výkony používame kovové hliníkové chladiče pre ešte vyššie výkony sa používajú kovové chladiče doplnené o vodné chladenie.

1.2.11 ZHRNUTIE VLASTNOSTI A ICH POUŽITIE

Diódy, tyristory, diak a trijaky používame hlavne pre nižšie spínacie frekvencie. Používajú sa hlavne u usmerňovačov. Kvôli vysokej prúdovej spotrebe sa nahrádzajú bipolárnymi tranzistormi a unipolárnymi tranzistormi. Takže bipolárne tranzistory a unipolárne tranzistory GTO, IGBT, IGCT sa používajú pre vysoké spínacie frekvencie v striedačoch.

2. VÝKONOVÉ POLOVODIČOVÉ MENIČE

2.1 USMERNOVAČE

2.1.1 JEDNOFÁZOVÝ,JEDNOCESTNÝ, JEDNOPULZOVÝ,TYRISTOROVÝ USMERNOVAČ

Usmernené napätie – napätie jednej polarity. Toto napätie môže mať rôzny tvar, ale vždy je len buď kladné alebo záporné. Na schéme je nakreslený najjednoduchší usmerňovač, kde namiesto tyristora môže byť dióda. Takýto usmerňovač nazývame riadený. Ak je tam tyristor, nazývame ho riadený a vtedy ide o jednofázový jednopulzný tyristorový usmerňovač.

GHI – generátor hradlových impulzov. Zo schémy vidíme, že môžeme pripojiť záťaže R-L-Ui. Fyzickú záťaž R môžeme nahradiť žiarovkou, tepelnou špirálou, ale pozor, s ktorými prívodmi hradlová obmedzená indukcia pracuje. Ak je v záťaži R-L-Ui ide o nulovú záťaž. V našom prípade máme R – záťaž, čo fyzicky predstavuje žiarovku, uhol fázového riadenia je 90º zapojený bez nulovej diódy. Pri tomto

11

STREDNÁ ODBORNÁ ŠKOLA, Hviezdoslavova 5 Rožňava Ing Szanyi VÝKONOVÁ ELEKTRONIKAzapojení ale použijeme L-Ui záťaž, prúd na záťaži nejde na nulu kvôli proti napätiu. Ako R-L-Ui zdroj sa môže použiť jednofázový komutačný motor, ktorý sa nachádza v mixéroch, v elektrickom náradí.α - uhol fázového riadenia počítaný od začiatku polperiódy. t - čas od ktorého tyristor zapína.Označovanie horizontálnej osi môžu byť v časových jednotkách, alebo v radiánoch v uhloch ωt je uhol. GHI L ut IG

R UUT R - L U Uz Z L L>>0

Ui

N α = 0º α = 90º α = 180º

u

IG ωt

ωt

IZ

R záťaž UZ ωt IZ = Uz/R

UZ ωt R-L

záťaž ωt L>>0

IZ

UZ ωt

Ui R-L-Ui

IZ ωt

ωt

Do vysvetľujeme obrázky. Cievka po vypnutí napájania sa snaží zachovať energiu obvodu a preto sa mení na zdroj kde sa prepóluje a U0 je to zaporné napätie

12

STREDNÁ ODBORNÁ ŠKOLA, Hviezdoslavova 5 Rožňava Ing Szanyi VÝKONOVÁ ELEKTRONIKAktoré sa nám zobrazí v napätí na záťaži. Pre priebeh prúdu záťažou platí, že čim

väčšie indukčnosť záťaži tým sa viac pozná vrchol prúdu. Tento menič sa využíva pre napájanie odporovej záťaže teda pre žiarovky ako

stmievač. Hodí sa aj na vyvíjanie induktívnych záťaže.

2.2. POUŽITIE NULOVEJ DIÓDY

IG IZ UZ

IVT W VT IZ ωt IND R U~ UZ IND ωt ND L UZ ωt ωt

IZ ωt IZ

ωt ωt

Pri napájaní záťaže predchádzajúceho meniča nám vzniká problém. Ak použijeme jednosmerný alebo komutátorový motor, tak sa prejaví záporná časť na napätí UZ v podobe nekľudného chodu motora. V žiarovke v podobe jemného blikania. Aby sme tieto fyzicky prejavujúce sa nepriaznivé následky odstránili, upravíme menič použitím nulovej diódy. Priebehy nám vykresľujú čo sa stane. Odreže sa nám záporná časť napätia UZ a priebeh IZ pomaličky doznieva. Priebeh IZ

máme nakreslený na ďalších priebehoch, kde vidíme že je poskladaný z prúdu tiristora a prúdu nulovej diódy, kde dochádza k prechodu prúdu nulovej diódy od tiristora počas komutačného uhla. Komutácia je jav doznievania prúdu v jednej vetve a prebudenie prúdu druhov vetvou. Počas komutácie uhla v priebehu IGT klesá. IND – prúd diódy je vlastne prúdom cievky.

2.3 JEDNOFÁZOVÝ JEDNOCESTNÝ RIADENÝ TRIAKOVÝ STRIEDAVÝ MENIČ

GHIIG

13


IZ

R

u~ uZ L

ui

α = 60º α = 135º I

IG ωt u1 u2 1 2 3

uZ ωt

IZ ωt R

uZ ωt

IZ ωt R - LL>>0

ωt

Priebehy dostaneme veľmi jednoducho a to tak že dokreslime celí zrkadlový obraz predchádzajúceho meniča pretože triak pracuje v oboch polperiodach a môže sa nahradiť antiparalelnou dvojicou tyristorov, alebo si môžeme u oboch meničov platí čím väčší uhol fázového riadenia tým menšie napätie na záťaži a teda aj prúd.

2.4 JEDNOFÁZOVÝ MOSTIKOVÝ USMERŇOVAČ

IG1 IG2

VT1 VT2 R

14

STREDNÁ ODBORNÁ ŠKOLA, Hviezdoslavova 5 Rožňava Ing Szanyi VÝKONOVÁ ELEKTRONIKA u Uz Z L Tr IG3 IG4

Ui VT3 VT4

α = Л2 α = 135º

u

IG12 ωt

IG23 ωt

uZ ωt

uZ ωt R

ωt uZ

ωt IZ R-L; L>>0

IZ ui ωt

uZ ωt R-L-Ui

ωt

Toto zapojenie nazývame dvojcestné. Tak isto triakové zapojenie je dvojcestne. Prvý menič bol jednocestný. O tom koľko cestný je menič hovory transformátor

Toto mostíkové zapojenie nazývame plnoriadene. Poznáme ešte poloriadene mostíkové usmerňovače.

Polororiadene mostíkové usmernovače sa používajú len na riadenie odporových záťaži je zrejme, že ak by sme používali poloriadene mostíky, priebehy napätia a prúdu na záťaži sú zmenene. Alternatívou k mostíkovému zapojeniu je uzlové zapojenie, ktoré je síce elektricky odlišné, ale čo sa týka priebehu záťaži prúdu a napätia tak sú rovnaké spolu s mostíkovým nazývame jednofázový uzlový

15

STREDNÁ ODBORNÁ ŠKOLA, Hviezdoslavova 5 Rožňava Ing Szanyi VÝKONOVÁ ELEKTRONIKAusmerňovač. výhoda tohto zapojenia oproti tomuto mostíku je že mame menší počet riadených súčiastok nevýhoda, zložitejší transformátor. Transformátor musí byť s vyvedeným uzlom.

VT1 Iz Z u

Uz VT2

2.5 TROJFÁZOVÝ USMERŇOVAČ

2.5.1 TROJFÁZOVÝ UZLOVÝ USMERŇOVAČ

Tr VT1U VT2 IZ

V VT3W

R

UZ L

Ui

α = 60º u U V W U V W U V W U

UZ ωt

16

IG1,2,3 ωt


IZ ωt R

UZ ωt

IZ ωt R-L L>>0

UZ Ui ωt

IZ ωt R-L-Ui

ωtViacfázové riadené usmerňovače sa uplatňujú pred jeho fz... aj napriek tomu že

majú väčší počet riadených súčiňiteľov. Ich výhoda je lepší činiteľ napätia a prúdu v záťaži, čiže zaťažovacie napätie je menej zvlnené oproti predchádzajúcim meničom. Z princípu však vyplýva, že tento menič môže mať uhol fáz riadenia 0 - 30º (5

6π).

2.5.2 TROJFÁZOVÝ MOSTÍKOVÝ USMERŇOVAČ

IZ

Takty:VT 1 VT 2 VT 3 R V1 – V6

uu V2 – V3uZ V4 – V5

uv L

uw

VT 4 VT 5 VT 6 Ui

uf

R

uZ ωt

L ui

ωt

17


Ako nám takty ukazujú, striedajú sa vo vedení tri dvojice spínačov. Poznámka: Nie je to celkom pravda, je to veľmi zjednodušené. Ako ukazujú priebehy z doterajších poznatkov vieme, že počas trvania prvej periódy fázového trvania na záťaži sa zobrazuje šesť vlniek, keď α=0º

2.6 CYKLOKONVERTORY

I. II.

U

V uZ

W Z

uZ

ωα

I. II.

Schéma nám ukazuje jednofázový cyklokonvertor, ktorý je zložený z dvoch trojfázových mostíkových usmerňovačov antiparalelne zapojených. Priebeh napätia uZ ukazuje na činnosť tohto meniča. Z tohto príbehu vidíme, že sme dosiahli výsledný striedavý priebeh a to tak, že najprv necháme pracovať menič I., vypneme ho a potom necháme pracovať menič II. Následne činnosť cyklicky opakujeme. Vidíme, že sme dostali sínusovky v ktorých sme si vyznačili prvú harmonickú, ale z priebehu

18

STREDNÁ ODBORNÁ ŠKOLA, Hviezdoslavova 5 Rožňava Ing Szanyi VÝKONOVÁ ELEKTRONIKAdedukujeme, že tento je poskladaný z prvej harmonickej a veľkého počtu vyšších harmonických. Samozrejme takéto meniče vykazujú spätný nepriaznivý vplyv na napájaciu sieť. Ak si zoberieme tri takéto skupiny meničov, dostávame trojfázový cyklokonvertor s 36 spínačmi z ktorých môžeme napájať trojfázovú záťaž. Takýto menič je vhodný na napájanie trojfázových synchrónnych a asynchrónnych motorov. Sú vhodné pre motory s nízkymi otáčkami ale veľmi ťažkým záberom napríklad pre pohon bubnov v cukrovaroch. V súčasnosti sú tieto meniče nahrádzane meničmi frekvencie. Pozornému čitateľovi je jasne, že výstupná frekvencia záťažného napätia je vždy menšia ako 50 Hz. Výstupná frekvencia je vždy od 0 pod 50Hz.

2.7 STRIEDAVÁ PREVÁDZKA USMERŇOVAČOV

Pre pochopenie tejto látky si zoberme trojfázový uzlový usmerňovač. Riadený usmerňovač prenáša užitočnú energiu zo striedavej strany na jednosmernú stranu. Striedač so sieťovou komutáciou sa často nazýva aj invertor. Má smer prenosu energie opačne – teda zo záťaže (zo siete) na striedavú stranu (do siete). Ak sa má prenášať energia z jednosmernej na striedavú, týmto je protinapätie U i. V usmerňovačovej prevádzke môžeme písať pre výkon Pi = Ui . IZ. Čiže záťaž sa správa ako spotrebič. V striedačovom režime musí byť vnútorný výkon záťaže P i

záporný. Preto z uvedeného vzťahu P = Ui . IZ vyplýva, že Ui musí byť záporné. IZ

záporné nemôže byť, pretože usmerňovačom tečie prúd len jedným smerom na výstupe usmerňovača. To, že Ui je záporné je prvá nutná podmienka striedačového chodu. Druhá podmienka je, že usmerňovač nesmie používať nulovú diódu. Tretia nevyhnutná podmienka je, že Ui < UZ

uZ α = 60º α = 90º α = 120º

ui ui

α = 150º α = 180º

u i ωt

19

ωt

ui

ui


Ako vidíme z priebehu postupným zvyšovaním uhla fázového riadenia (samozrejme, že pri R-L-Ui záťaži) dospejeme, že sa zmení polarita na záťaži z kladného do záporného, takže máme prítomné protinapätie na záťaži, čiže sú splnené všetky skôr uvedené podmienky na odovzdávanie energie z jednosmernej strany na striedavú stranu. Tomuto hovoríme rekuperácia. Praktické využitie je hlavne pri brzdení trakčných vozidiel, kde máme dve možnosti. Prvou možnosťou je spáliť drahú brzdnú energiu v brzdných rezistoroch, čím sa elektrická energia mení na teplo alebo druhov možnosťou je odovzdať jednosmernú energiu na striedavú stranu.

3. JEDNOSMERNÉ IMPULZNÉ MENIČE

3.1 CHARAKTERISTIKA A ROZDELENIE

Impulzné meniče je veľmi dynamicky sa rozvíjajúca oblasť výkonovej elektroniky. Treba si uvedomiť, že takýto menič nás čoraz viac obklopuje v podobe nabíjačiek k mobilu, zdrojom k prenosovým počítačom atď. ich výhodou je oveľa menšia hmotnosť oproti klasickým analógovým usmerňovačom pri tých istých výstupných parametrov.

Ďalšou sférou využitia týchto meničov je napájanie jednosmerných motorov.Rozdelenie: Podľa počtu kvadrantov s ktorými pracujú: - jedno kvadrantové

- dvoj kvadrantové- štvor kvadrantové

Podľa typu činnosti: - zvyšujúce - znižujúce

3.1.1 ZNIŽOVACÍ IMPULZNÝ MENIČ

Vidíme, že táto schéma je nám dobre známa, akurát na vstupe nie je striedavé ale jednosmerné napätie. U tohto meniča riadime strednú hodnotu napätia na záťaži uz a vychádza nám to, že stredná hodnota záťaže závisí od pomeru času zapnutia spínača S k celkovému pracovnému cyklu T. to znamená, že môže byť maximálne

20

STREDNÁ ODBORNÁ ŠKOLA, Hviezdoslavova 5 Rožňava Ing Szanyi VÝKONOVÁ ELEKTRONIKArovné T (spínač nevypíname) a vtedy je uz = u. Takže maximálne na záťaži môže bať napätie u alebo nižšie.

uz S V0 S V0 SGHI

S IZ

Iz T1 T2 t R T IS IV0 IV0 IV0

U uz L IS IS IS

V0 t

Ui uZ = T 1T U = z.U 0 ≤ uz ≤ u

Iz = uz−uiR

0 ≤ z ≤ 1

3.1.2 ZVYŠUJÚCI IMPULZNÝ MENIČ

GHI uz S V0 S V0 S V0 V0

IV0 Iz

Iz T1 T2 tR T

U Is uz L

t

Ui Uz = T1

T U Iz =

U i−U z

R

Uz = T−T1

T U Ui > (1 – Z) U

Iz Uz = (1 – Z) U Ui < U

Môžeme ho využiť v spojitosti s znižovacím meničom a to napríklad vtedy, ak chceme odvádzať energiu z výstupnej teda záťažnej strany na vstupnú teda zaťažnú stranu. Poďme si pozrieť priebehy na Uz. Spínač je zapnutý, ale pri Iz vidíme zdanlivý paradox, že prúd záťažou stúpa. Aj keď sme odpojený od napájania U , pretože dióda je polarizovaná záverne. Treba si však uvedomiť, že vypínaci tyristor nám neslúži na pripojenie napájacieho napätia na záťaži, ale má podobnú funkciu ako nulová dióda a stúpajúci prúd I. Tak to je preto, že napríklad chceme zabrzdiť elektromobil t.j. chceme mu zobrať energiu, takže poháňací motor elektromobilu v brzdnom režime sa mení na generátor a preto záťažou prúd stúpa. Ak v druhom takte vypneme vypínací tyristor, okruh sa uzavrie medzi zdrojom, záťažou a diódou. Je samozrejme, že prúd musí klesať, pretože nahromadená energia sa indukuje v záťaž a prechádza

21

STREDNÁ ODBORNÁ ŠKOLA, Hviezdoslavova 5 Rožňava Ing Szanyi VÝKONOVÁ ELEKTRONIKAdo zdroja. Treba si povšimnúť jednu skutočnosť. Aký je rozdiel medzi týmito meničmi? Znižovací menič viedol prúd od zdroja k záťaži. Zvyšovací menič od záťaže do zdroja. Poďme sa bližšie pozrieť ako takúto skutočnosť môžeme využiť. Nakreslíme si štyri kvadranty s označením prúdu a napätia a poďme sa pohybovať v týchto kvadrantoch. (kvadrant I. a III. je motorická časť, kvadrant II. a IV. je generatorická časť).

U

- I I

-U

3.1.3. ALTERNATÍVNE ZAPOJENIA ZVYŠUJÚCEHO A ZNIŽUJÚCEHO MENIČA

ALTERNATÍVNE ZAPOJENIE ALTERNATÍVNE ZAPOJENIEZNIŽUJÚCEHO MENIČA ZNIŽUJÚCEHO MENIČA

FET tranzistor

+ Z + Ui

P = U.I = 0P = U.(-1) < 0P = (-U) .I < 0

Ak dodávame energiu do siete, výkon musí byť záporný. Ak berieme energiu zo siete, výkon je kladný. Preto ak chceme postaviť menič, ktorý bude dodávať energiu do siete, tak jeho napätie musí byť záporné. U znižujúceho meniča sa dá tranzistor nahradiť FET tranzistorom.

3.2 DVOJKVADRANTOVÉ PULZNÉ MENIČE

22

STREDNÁ ODBORNÁ ŠKOLA, Hviezdoslavova 5 Rožňava Ing Szanyi VÝKONOVÁ ELEKTRONIKA3.2.1 DVOJKVADRANTOVÝ PULZNÝ MENIČ S REVERZÁCIOU PRÚDU

V

S1U Z Uz

S2 VO

Keď sa bližšie pozrieme na schému, tak vidíme, že ide o kombináciu zvyšujúceho meniča a znižujúceho meniča. Umným spínaním S1 a S2 sa môžeme pohybovať z I. do II. kvadrantu.

3.2.2 DVOJKVADRANTOVÝ PULZNÝ MENIČ S REVERZÁCIOU NAPÄTIA

S1 V1 S1 V1 S2 V2 S2 V2

S1 Iz Z V1 Uz Iz

U tV2 Uz S2 T1 T2 T

Uzi = U T1−T2

T

Z< 0,5 – IV kv.Z > 0,5 – I. Kv.

Tento menič umožňuje prevádzku v I. a IV kvadrante. S1 a S2 spínajú súčasne a vtedy je Uz > 0, ak sú vypnutá S1 a S2, prúd doznieva cez diódy V1 a V2 a na záťaži je záporné napätie. Zo vzťahu pre Uz vyplýva jedno. Ak je Uz > 0,5 pracuje menič v I. kvadrante a energia je dodávaná zo zdroja do záťaže. Pri Uz < 0,5 pracuje menič v IV. kvadrante a energia je dodávaná zo záťaže do zdroja. Ak je záťažou jednosmerný motor a chceme prejsť z motorického chodu do generatorického bez meniča, je nutné prehodiť svorky na motore.

3.3 ŠTVORKVADRANTOVÝ IMPULZNÝ MENIČ23

4.kv


V1 S1 Z S3 V3 U V4 S4 Uz S2 V2 Iz

Uz S1 V3 S1 V1 S3 V1

S2 V4 S2 V2 S4 V2 Iz

t Uz

S1 V3 S1 S2 S1 S2 Uz V1 S3 V1 S3 S4 S3

t Iz

U UB

A1

pohon

Ur UA

IM

A2

Riadenie otáčok jednosmerných motorov s impulznými meničmi

Schéma nám ukazuje využitie 4. kvadrantového meniča na menenie otáčok jednosmerného motora. Vstup zosilňovača jedno alebo dvojfázový poskytuje vstupné jednosmerné napájanie pre impulzný menič 4. kvadrantový. Prostredníctvom riadiaceho napätia riadime vstupné napätie a prúd impulzného meniča (pozri predchádzajúce kapitoly) a tento menič poskytuje napätie pre kotvu jednosmerného motora.

4. MENIČE FREKVENCIE

4.1 ZÁKLADNÁ ŠTRUKTÚRA A ZÁKLADNÉ POJMY

24

M


u1, f1 Um L striedač u2,f2

C

Meniče frekvencie sú výkonové polovodičové meniče, ktoré zabezpečujú plynule riadenie otáčok 3-fázových asynchrónnych a 3-fázových synchrónnych motorov. Do meniča frekvencie na vstupe vstupuje 3-fázová sústava s pevnými parametrami u1, f1 - môže ísť o 3-fázové alebo 1-fázové napájanie, nízko výkonové alebo vysoko výkonové. Napájanie vstupuje do usmerňovača. Riadený je vtedy ak chceme energiu rekuperovať (vrátiť) napr. pri brzdení motora späť do siete. Ak je neriadený nebude sa dať rekuperovať energia. Jednosmerný obvod vyhadzuje napätie z usmerňovačov a podľa toho či sa používa kondenzátor alebo cievka poznáme meniče s kondenzátorom, ktoré nazývame napäťové – najviac aplikácií s týmito meničmi. Ak je v obvode indukčnosť tak sa nazývajú medziprúdové – málo aplikácií. Za medzi obvodom je ďalší menič ktorého úlohou je z jednosmernej sústavy vyrobiť trojfázovú sústavu s premenlivými parametrami u2, f2. Prečo to robíme? Mala rekapitulácia siz. Regulovať otáčky 3-fázových asynchrónnych motorov môžeme aj statorovým napätím. Najjednoduchšie cez rezistory.

L1 L2 L3 PEN

Toto však nie je dobré riešenie. Napätím môžeme radiť odpor ale má to dve nevýhody:

1. V rezistoroch sa elektrická energia jalovo premieňa na teplo.2. Znižovaním napätia nám klesá moment na hriadeli a motor stráca silu

Istou vylepšenou alternatívou: PEN

Táto schéme nám zobrazuje menič SOFT – START. Vychádza z jednofázového meniča. SOFT – START nie sú určené na trvalú prevádzku ale slúžia len na rozbeh

25

~ =

~ =

pohon3AM ~

3 AM

3 AM

3AM

STREDNÁ ODBORNÁ ŠKOLA, Hviezdoslavova 5 Rožňava Ing Szanyi VÝKONOVÁ ELEKTRONIKAa dobeh motorov. Ich výhoda je, že odstraňujú veľké prúdové špičky pri zapínaní asynchrónnych motorov a to tak, že plynulo zvyšujeme napätí na každej fáze resp. plynulo uberáme napätie v každej fázy pri zastavení pokiaľ je k rozbehu BYSS. Dôležité je že SOFT – START nemusí mať riadené všetky tri fázy, stačí riadiť len 1 alebo 2. To znamená že v neriadených fázach odpadá bajpas. SOFT – START sa zvykne nazývať elektronický, riadený, stýkač. Ale aj pri SOFT – STARTE hoci nespaľujeme jalovú energiu máme problém s klesajúcim momentom a práve tam nastupujú meniče frekvencie u ktorých nie len riadime napätie na všetkých fázach naraz ale zároveň meníme aj frekvenciu tohto napätia. Tým že meníme tieto dve veličiny súčasne sa dá matematicky dokázať, že moment je konštantný. Poznámka: Ak by sme chceli v predchádzajúcich dvoch schémach riadiť otáčky, musia byť asynchronné motory zaťažené.

U JM S

L1L2L3

4.2 PARAMETRIZÁCIA A PREPOJENIE MENIČA FREKVENCIE

Prvý obrázok nám zobrazuje, čo môžeme pripojiť na vstupný a výstupný menič frekvencie, pretože každý menič má zabudované číselné vstupy a analógové výstupy. Okrem sieťového vstupu motor meniča má zabudované komunikačné porty v zásade sériové alebo elthernetove alebo aj číslicové vstupy môžeme pripojiť tlačidlá tlakové spínacie snímače a na analógové vstupy pripojíme potenciometer alebo dávame tam napr. zo snímača analógový výstup alebo prepojíme analógový vstup meniča s analógovým výstupom PLC. Na číslicové výstupy pripojíme poväčšine cievky, relé a na analógové pripojíme meracie prístroje, alebo prepojíme analógový výstup meniča s analógovým vstupom PLC alebo priemyselného PC.

FM

panel

vstupy výstupy

26

3 AM

3AM

3AM

3AM


Parametrizáciou meniča sa myslí zadávenie parametrov potrebných k činnosti meniča kde patria štítkové údaje motora, ktorými menič napája motor. Napr. prúd, moment, cos φ, výkon, účinnosť, otáčky, ďalej pri parametrizácií musíme povedať, ktorý výstup a vstup budeme používať, načo ho budeme používať, prepojenie s PLC, PC, iným meničom, treba zadať aj aký typ komunikácie použijeme, priemernú rýchlosť poprípade ďalšie komunikačne fázy.

PREPOJENIE PLC

Ďalší obrázok nám ukazuje zapojenie OUC. PULT Panel meniča kde v zásade by sme dali aj ovládací pult. š s

Pri pozornom náhľade na túto schému vidíme, že sú tu využité digitálne vstupy a jeden analógový výstup a bloková schéma nám ukazuje zložitejšie prepájanie meniča s riadiacimi systémami ktorými môžeme ovládať aj parametrizovať menič po nete.

operačnýpanel

Uss panel PLC

Samozrejme aj toto zapojenie nie je úplne, môžeme ho doplniť asi o iné kanály a po sériovej linke môže komunikovať s iným meničom.

Ďalšia schéma nám zobrazuje prepojenie meniča s PC. Musíme mať menič a kontrolovať jeho činnosť

BICO PC panel

27


4.3 TYPY RIADENIA MOMENTU FREKVENCIE

1. Skalárne riadenie U/f2. Vektorové riadenie3. Priame riadenie momentu DTPC

1. Skalárne riadenie je najjednoduchšie riadenie. Používa sa pre obrábacie stroje, čerpadla, všade tam, kde nie je vnútorná dynamika. Má svoje nevýhody v oblasti nízkych otáčok je riadenie momentu dosť nestabilné.

Mj I1. riadenie otáčok 3 AM2. prepínaním počtu pólov – len pri momente nakrátko.

Mm

M Mn

n MS

M Mmax reálne otáčky

S = ns−nns

synchrónne otáčky

-S s=-1 s=0 s=1 S

n = 60 . fP

Mmin počet pólových dvojíc otáčky

-M

S = 1 – keď motor stojí alebo v okamihu rozbehu

S = nsns

= 1 – s týmto momentom motor zaberá pri sklze 1.

S = 0 – motor sa otáčaAM môže mať sklz rovný 0, ak ho budeme poháňať spaľovacím motorom, alebo jednosmerným motorom – extrémny pohon.

S = -1 – keď bude n dvojnásobne väčšie ako nsAk sme poháňaný niečím extrémnym Brzdíme ho – hriadeľ pôsobí opačne t.j. od 0 až po s =-1.

M M

28


reálne sklzy sú niečo pod -1 s>1 ak je záťaž väčšia akú chceme dosiahnuť.

Ideme autom a pred nami je strmý breh – dolina. Zaradíme dvojku, čomu zodpovedá rýchlosť 40 km.h-1. Keď sa dostaneme na strmé klesanie, gravitácia nás ťahá rýchlejšie dole a ideme približne rýchlosťou 80 km.h-1 pričom sme zaradili dvojku čo mala byť rýchlosť 40 km.h-1. Tento stav nastáva ak máme stále rovný -1. S = -1.

Tento stav sa nazýva tzv. generatorické brzdenie, čiže brzda, ak máme dvojnásobok rýchlosti, pretáča sa nám motor.

Otázka: Ako závisia otáčky motora od počtu pólov?

n = 60 . fP

Príklad: Máme dvojpólový stroj, štvorpólový stroj aké sú otáčky?

2p. - n = 60 . fP = n =

60 .501 = n =

3001 = n = 3000 min-1

4p. – n = 60.50

2 = 1500 min-1

Sklz nám hovorí o koľko sú nižšie otáčky ako synchrónne otáčky sa uvádzajú v min-1

– otáčky za minútu.

Ns = 3000min-1 = 3000−2920

3000 = 80

3000 = 0,0026 = 0,26%.

4.4 SKALÁRNE RIADENIE MOMENTU

M u/f = konš. P = konš.

P = M.ω

n

04610

8220

13830

18440

23050

160

180

1100

4,6 4,6 4,6 4,6 4,6 4,6 4,6 4,6

29

STREDNÁ ODBORNÁ ŠKOLA, Hviezdoslavova 5 Rožňava Ing Szanyi VÝKONOVÁ ELEKTRONIKANastavujeme takýto moment sily ak pri pomere u a f pretože ide o 2 záporné, pri konštantnom Mc pri konštantnom P preto dodržujeme moment u/f môžeme iba po

nominálne napätie 230V ale potom musíme len pomerom 1f pritom nám moment

klesá ale pri pomere P = M.ω je výkon konštantný.

900 2 polový3 cievky

4 polový6 cievok

900

30

Documents

NADPIS C - EduPagesostrv.edupage.org/files/vykonovka.docx · Web viewMeniče frekvencie sú výkonové polovodičové meniče, ktoré zabezpečujú plynule riadenie otáčok 3-fázových