Technologie měničůřídicí systémy, údržba, ovládání

Přednáška X13TRZ 3. 1. 2008

Výkonové polovodičové měniče

• zařízení měnící parametry el. energie

napětí, proud, kmitočet, počet fází, impedance

• přeměna el. energie „téměř“ bezeztrát

• nejčastější měniče:– usměrňovač (diodový, neřízený)

– měnič kmitočtu (nepřímý, ss. meziobvod)

• nejčastější aplikace:– napájecí zdroje, pohony

Historie měničů

• elektromechanické– od dob Tesly a Edisona– rotační usměrňovače, kartáče, přepínání cívek

• elektromagnetické– soustrojí, např. Ward-Leonardovo

AC vers. DC

konec 19. století

• selenové usměrňovače– přelom století, malé proudy

• rtuťové usměrňovače– proud iontů ve zředěných parách Hg

– K – kapalná Hg, A – pevná

– jednotky kA, kV, dráhové měnírny, dopravní podniky

– 1929 až 1967

• thyratrony – několik kV, jednotky A

Historie měničů

Siemens 15 kV / 1A

Polovodičové měniče

• V ČSR od konce 50. let – výzkum ČKD Elektrotechnika• 1964 založeno ČKD Polovodiče – P4, Pankrác• součástky – měniče v přelomu milénia:

součástky

moduly

měniče

křemík

chladiče, příslušenství

Měniče – děleníUsměrňovač: AC/DC

střídač, invertor: DC/AC

střídavý měnič: AC/AC(přímý, nepřímý)

stejnos. měnič: DC/DC

AC – efektivní

DC - střední

dtuT

U 21

dtuT

U AV .1

Nejčastější typ měniče

• spínaný napájecí ss. zdroj• SMPS – Switch Mode Power Source• ve všech adaptérech, nabíječkách, PC, spotřební

elektronika

• cíl – zmenšit hmotnost a rozměry transformátoru oproti lineárnímu zdroji

2

1

1

2

1

2

ff

SS

NN

Nejčastější typ měniče

Konstrukce měničů kmitočtu

• závěsná skříň

• polovodičové součástky vzadu

• hliníkové těleso chladiče

• ventilátor vespod

• tah vzduchu nahoru

• ovládací elektronika na panelu vepředu • hliník x plast

• ovládací panel, klávesnice, displej

Chlazení modulů

Používané součástky

• moduly – integrace polovod. součástek• chlazení – vzduch, kapalina (drahé)• jednoduchá montáž• bezpotenciálová

základna

• stejnosměrný meziobvod – kondenzátorsvitkový, elektrolytický

• elektrolyt. – jen do 450 V• 102 F / 600 V, odolnost až 1 kV• vývody – šroubovací, SNAP-IN

Netradiční měniče• automobilové …. 12/24 VDC• síťové … 12VDC / 230 VAC• masivní svorky• odvod tepla povrchem (horký)• kompaktní provedení• velmi drahé

snižovací / zvyšovací pulzní měniče:

Netradiční měničeTrakční měnič motorové jednotky řady 560

• napájecí napětí 2x 465 V• výstupní napětí 730 V• výstupní proud 630 A (trvale)• výstupní proud 1200 A (1 min)• výkon 420 kW trvale• 465 kW hodinově• IGCT tyristory• pracovní frekvence 600 Hz• chlazení nucené 4000 m3 / hod• rozměry 1015 × 930 × 1250 mm• hmotnost 460 kg

Netradiční měniče

Výsuvný usměrňovač pro měnírny metra

• trasa C

• zapojení třífázový diodový můstek s dvěma diodami paralelně

• vstupní napětí 660 V AC / 50Hz

• výstupní napětí 884 V DC

• špičkové napětí max 2000 V

• výstupní proud ID = 3000 A (trvale)

• ID = 4500 A (2 hod.)

• ID = 9000 A (1 min.)

Řídicí, ovládací část

• řídicí P je vetšinou 16bit. kontrolér z rodiny: Motorola 68000, Siemens SAB 166/167, STMicroelectronics,

Intel C196, Atmel AVR aj.

• nutné periferie:– PWM jednotky, A/D převodníky, vstupy HSI/HSO

– záchytné obvody událostí, komunikační sběrnice

• sdružené instrukce: – vynásob + přičti

– pro diskrétní regulátory, filtraci dat / signálů

kod opr. významMULB / MULUB 3 D, D+1 <-- B * ASUBC / SUBCB 2 D <-- D - A + C - 1

Řídicí, ovládací část

• senzory – proudu: proudové transformátory, LEM čidla

(Hallova sonda)– napětí: bočník + diferenciální OZ + převodník– teploty – bezpečný provoz součástek

• většina převodníků 8/10 bitů– přesnost 0,5% nebo 0,1 % v průmyslu dostačuje

MSB LSB9. 8. 7. 6. 5. 4. 3. 2. 1. 0.1 0 1 0 1 0 1 0 1 0

• klávesnice– pouze funkční klávesy (malý počet)

– nutná odolnost – bez mech. částí

– klimatická odolnost

– zdvih, signalizace stisku – pípnutí

• informační panel– frekvence, skluz, verze SW…

– LED, LCD panel

• přístupný konektor pro nahrávání SW (RS 232; 485)– rozhranní téměř vždy sériové

Řídicí, ovládací část

Průmyslové sběrnice, komunikace

• přímé propojování log. obvodů nevhodné (TTL, ECL, CMOS…)

• sběrnice: seriové x paralelní• historie:

– propojování měřicích přístrojů fy. HP– HP-IB (dnes IEEE 488, také GP-IB)– sériové linky RS 232C (70. léta)– průmyslové varianty – 422, 423, 485– distribuované systémy

(CAN, Ethernet, LonWorks)

– proudová smyčka 0 - 20 mA … velké odolnost proti rušení

Průmyslové počítače• robustnost, odolnost

• množstní IO (SP, PP, FDD)

• dotyková obrazovka (ovládání)

• polohovací zařízení ?

• odpověď v reálném čase

• zdroj – výkon, PFC, svorkovnice, chlazení

Průmyslové PC – konstrukce

• základní deska: pasivní backplain• vkládané karty• mechnické jištění – vibrace• celkem malý výkon – 386SX,

486, P, PII, PIII

backplain: pouze napájení + propojení

Průmyslové PC

• zdroje

bez PFC aktivní PFC

korekce účiníku: lepší odběr proudu

pasivní – nárazová tlumivka

aktivní – upravený ss. meziobvod (lepší)

Průmyslové PC – ukázky

odolné notebooky (1)

PLC z modulů ADAM (2)

řídicí PC školního reaktoru VR1 (3)1

2

3