Frekvenčné meniče

Výhodou asynchrónneho motora s kotvou nakrátko (AMK) je jeho jednoduchá konštrukcia, odolnosť, nízka cena, nenáročná údržba a možnosť prevádzky v znečistenom alebo nebezpečnom prostredí. Nevýhodou je horšia riaditeľnosť, ktorá vyžaduje zložitejšie výkonové a riadiace obvody. To platí hlavne vtedy, ak je potrebná kvalitná regulácia momentu alebo otáčok s vysokou dynamikou. Príchod frekvenčných meničov vybavených vektorovým riadením tieto nedostatky odstránil a umožnil nasadenie AMK aj v aplikáciách, ktoré boli v minulosti výsadou jednosmerných regulovaných pohonov.

V oblasti malých a stredných výkonov v súčasnosti jednoznačne prevládajú nepriame napäťové meniče frekvencie (ďalej len frekvenčné meniče), ktoré sa používajú na napájanie synchrónnych a asynchrónnych motorov v prípade, ak sa vyžaduje riadenie ich otáčok. Menič zo sieťového napätia s pevnou frekvenciou 50 (60) Hz vytvára trojfázové striedavé napätie s frekvenciou od 0 do cca 900 Hz. Bežne sa využíva oblasť do 200 Hz, vyššie frekvencie sa používajú len v špeciálnych prípadoch (textilný priemysel, vysokootáčkové motory). Presnosť zadávania výstupnej frekvencie sa pohybuje od 0,1 do 0,001 Hz v závislosti od použitého typu riadenia. V oblasti od nulových do menovitých otáčok môže motor trvale dodávať menovitý moment, nad menovitými otáčkami je motor odbudzovaný a pracuje s konštantným výkonom. Pri použití kvalitného riadenia dosahuje striedavý pohon rovnaké alebo dokonca lepšie dynamické vlastnosti ako jednosmerný. Frekvenčný menič v závislosti od použitých komponentov umožňuje jednokvadrantovú (1Q) alebo štvorkvadrantovú (4Q) prevádzku.

Výkonová časť frekvenčných meničov

Výkonový obvod frekvenčného meniča môžeme rozdeliť na tri časti: menič na strane siete – usmerňovač, menič na strane motora – striedač a jednosmerný medziobvod, ktorým sú oba meniče oddelené. V prvých frekvenčných meničoch, kým neboli rozšírené IGBT spínače a striedače boli osadené tyristormi, sa premenlivé výstupné napätie vytváralo na vstupnej strane meniča buď riadeným tyristorovým usmerňovačom, alebo neriadeným usmerňovačom a impulzovým meničom v jednosmernom medziobvode. V súčasnosti je najpoužívanejšou štruktúrou výkonovej časti neriadený usmerňovač na vstupe a striedač s IGBT spínačmi na výstupe meniča. Tento typ striedača je vďaka vhodnému spínaciemu algoritmu schopný zabezpečiť premenlivú veľkosť aj frekvenciu výstupného napätia. Zapojenie výkonovej časti takéhoto frekvenčného meniča je na obr. 31.

Meniče pre malý výkon a pre jednomotorové pohony sa vyrábajú ako kompaktné, t. j. obsahujú všetky tri časti: usmerňovač, medziobvod a striedač. Pre výkon do cca 8 kW sa vyrábajú aj kompaktné meniče montované priamo na motor do zväčšenej svorkovnice. Pre viacmotorové pohony sú okrem kompaktných meničov k dispozícii aj stavebnice, ktoré majú samostatné usmerňovače a striedače, takže zostavu meničov možno zložiť presne podľa požiadaviek zákazníka. Jednosmerný medziobvod býva zvyčajne súčasťou striedača, ale môže byť rozložený medzi usmerňovač a striedače. Výkonový rozsah vyrábaných frekvenčných meničov v uvedenej konfigurácii sa pohybuje od stoviek wattov do cca 5 MW pri napájacom napätí v rozsahu 230 až 690 V. Pre väčšie výkony sa používajú iné usporiadania frekvenčných meničov – vysokonapäťové, Load Comutated Inverter (LCI) alebo cyklokonvertory.

Menič na strane siete – usmerňovač

Na vstupnej strane frekvenčného meniča možno podľa požiadaviek kladených na pohon použiť niektoré z nasledujúcich zapojení.

Najčastejšie sa používa 6-impulzový neriadený diódový usmerňovač (obr. 32). Pri zapnutí meniča sa kapacita v medziobvode nabíja cez prednabíjacie odpory, ktoré sú počas bežnej prevádzky vyradené. Tento typ meniča je najlacnejší, no neumožňuje rekuperáciu energie do siete ani zmenu napätia v medziobvode. Vyrába sa pre celý rozsah výkonov a jeho účinnosť dosahuje 99 %.

Napätie medziobvodu pri diódových usmerňovačoch je neriadené, jeho veľkosť závisí od zaťaženia meniča a napätia siete Us a pohybuje sa v rozsahu cca 1,3 ÷ 1,4 Us.

Riadený tyristorový usmerňovač (obr. 33) sa používa pri meničoch so stredným a vyšším výkonom. Má reguláciu napätia s podradenou reguláciou prúdu, takže umožňuje riadené nabíjanie medziobvodu bez nutnosti použitia prednabíjacích odporov, ako aj zmenu napätia medziobvodu. V zapojení podľa obr. 33 neumožňuje rekuperáciu energie do siete.

Tyristorový rekuperačný usmerňovač (obr. 34) sa používa v prípade, ak v pracovnom cykle pohonu prevláda generátorický režim a je výhodné vracať energiu do siete. Rekuperačný menič sa pripája na sieť cez autotransformátor. Ak sa autotransformátor nepoužije, musí sa znížiť napätie medziobvodu na cca 80 % menovitého, na čo treba pamätať pri dimenzovaní motorov a striedačov.

Pri 6-impulzovom napájaní menič spôsobuje vznik vyšších harmonických na strane siete. Ak sa vyžaduje ich potlačenie, možno použiť 12-impulzové napájanie (obr. 35), ktoré výrazne redukuje predovšetkým obsah 5. a 7. harmonickej. Vstupný usmerňovač je napájaný z transformátora s dvomi sekundárnymi vinutiami v zapojení hviezda – trojuholník. 12-impulzové zapojenie sa dá realizovať s riadenými aj neriadenými usmerňovačmi a používa sa pri pohonoch s veľkým výkonom.

Nevýhody tyristorového usmerňovača čiastočne alebo úplne odstraňuje usmerňovač s IGBT tranzistormi. Používajú sa dva spôsoby zapojenia a riadenia tranzistorového usmerňovača.

V zapojení podľa obr. 36 sa nulové diódy tranzistorového modulu využívajú ako usmerňovacie. V motorickej prevádzke meniča sa preto usmerňovač správa ako diódový. Pri rekuperácii sa energia vracia späť do siete cez IGBT tranzistory, ktoré však nevyužívajú šírkovo-impulzovú moduláciu (PWM), ale sú synchronizované so sieťovým napätím a otvorené 120° (el.). Tomuto režimu sa preto zvykne hovoriť kvázi tyristorový. Vďaka schopnosti rekuperácie nie je nutné dopĺňať zostavu o ďalší menič (ako pri tyristorovom rekuperačnom usmerňovači na obr. 34) a autotransformátor. Keďže tranzistory sa dajú hradlovým impulzom vypnúť, pri výpadku sieťového napätia počas rekuperácie nehrozí vybitie medziobvodu a nebezpečenstvo poškodenia poistiek a tranzistorov usmerňovača.

Druhou možnosťou je zapojenie tranzistorového usmerňovača podľa obr. 37, ktoré sa nazýva aktívny usmerňovač. Vyznačuje sa nasledujúcimi vlastnosťami:

  • Umožňuje obojsmerný tok energie (4Q) bez prídavných zariadení.
  • Má malý spätný vplyv na sieť. Zo siete odoberá takmer sínusový prúd, ktorý je vyhladený filtrom na sieťovej strane usmerňovača. Prúd neobsahuje vyššie harmonické typické pre tyristorové usmerňovače. Aktívny usmerňovač sa preto používa tam, kde sa vyžaduje nízky obsah vyšších harmonických, ktorý by sa dal ináč dosiahnuť len použitím 12-impulzového napájania alebo filtrami na vyššie harmonické.
  • Účinník meniča vzhľadom na napájaciu sieť môže byť nastavený v rozsahu 1 ÷ 0,8 ind./kap., čo umožňuje kompenzovať aj spätný vplyv iných zariadení pripojených na napájaciu sieť.
  • Aktívny usmerňovač pracuje ako zvyšovací menič. Aby sa dal dosiahnuť odoberaný sínusový prúd, musí byť napätie medziobvodu cca o 10 % vyššie, než je amplitúda sieťového napätia a dosahuje hodnoty 1,41 až 1,5 Us. Táto vlastnosť je výhodná pri prevádzke na slabej sieti, kde menič dokáže za cenu vyššieho prúdu udržať napätie v medziobvode aj vtedy, keď sieťové napätie krátkodobo poklesne až na cca 50 % menovitej hodnoty. Vzhľadom na to, že menič je osadený vypínateľnými IGBT tranzistormi, výpadok napájacieho napätia nespôsobí poškodenie meniča.

Priebeh napätia a prúdu jednotlivých typov usmerňovačov je na obr. 38.

Frekvenčný menič môže byť napájaný aj z jednofázovej siete. Výstupné napätie bude trojfázové, no jeho veľkosť dosiahne len 74 % vstupného napätia.

Nabíjacie odpory vo všetkých typoch modulov sú navrhnuté na krátkodobú prevádzku, preto majú obmedzenú tepelnú kapacitu. Pri častom nabíjaní môže dôjsť k ich preťaženiu. Pri mnohomotorovom pohone sa cez tieto odpory nabíja kapacita všetkých striedačov. Preto bývajú dovolený počet nabíjaní za určitý čas, ako aj celková kapacita medziobvodu, ktorá sa dá cez daný usmerňovač nabíjať, obmedzené a sú uvedené v dokumentácii k usmerňovaču. Pri nabíjacom obvode sa môžeme stretnúť aj s kuriozitami. Niektoré meniče Alstom počas nabíjania medziobvodu využívajú vo funkcii nabíjacích odporov vinutia motora chladiaceho ventilátora meniča.

Jednosmerný medziobvod

V meničoch napájaných zo siete býva jednosmerný medziobvod (angl. DC-link) tvorený kondenzátorovou batériou. Medziobvod jednak filtruje pulzujúce napájacie napätie, oddeľuje vstupnú a výstupnú časť frekvenčného meniča, a jednak predstavuje zásobník energie na prípadné preklenutie krátkodobých výpadkov siete. Často je z neho napájaná aj riadiaca elektronika meniča, vďaka čomu má menič energiu pre svoje riadiace obvody aj v prípade výpadkov siete trvajúcich rádovo stovky milisekúnd. V komerčných meničoch býva kondenzátorová batéria súčasťou striedača, príp. je jej časť umiestnená aj v usmerňovači. Na jeden medziobvod môže byť pripojených viac (aj desiatky) striedačov (obr. 40). V takomto prípade nemusí mať každý striedač vlastný usmerňovač, ale použije sa len jeden vhodne dimenzovaný a rovnako len jedna súprava vstupných komponentov, ako sú poistky, stýkač, komutačná tlmivka atď. Výhodou takéhoto usporiadania je jednoduchšie a lacnejšie zapojenie a úspora miesta v rozvádzači. Ďalšou výhodou je možnosť prelievania energie medzi striedačmi v rámci viacmotorového pohonu, keď energiu dodávanú do medziobvodu z pohonu, ktorý pracuje v generátorickom režime (napr. odvíjačka), využívajú ostatné pohony linky a nie je nutné jej prelievanie cez napájaciu sieť.

Kondenzátory v jednosmernom medziobvode udržia náboj aj niekoľko minút po vypnutí silového napájania usmerňovača. Preto je manipulácia so živými vodičmi tesne po vypnutí meniča životu nebezpečná. Po vypnutí sieťového napájania je nutné nechať medziobvod samovoľne vybiť. Orientačnou dobou na vybitie je 5 minút, po ktorých by napätie malo klesnúť pod hodnotu cca 60 V. Okrem toho možno medziobvod vybiť nútene prostredníctvom brzdnej jednotky v medziobvode, ak je na to prispôsobená.

Prednabíjací obvod pre striedače

Vo viacmotorových pohonoch bývajú jednotlivé striedače pripojené k medziobvodu cez poistky (príp. poistkové odpojovače). Pokiaľ je nutné, napr. z dôvodu údržby, niektorý striedač od medziobvodu odpojiť a neskôr pripojiť, treba pri jeho opätovnom pripájaní vypnúť celú zostavu a počkať, kým napätie v medziobvode poklesne. Potom sa dá striedač opäť pripojiť k medziobvodu a celá zostava zapnúť. Uvedený postup však spôsobí prestoj vo výrobe.

Druhou možnosťou je vybaviť striedač prednabíjacím obvodom (obr. 39). Vtedy sa pri pripájaní striedača do zostavy nemusí vypínať celá linka, ale kapacita striedača sa najprv nabije cez nabíjacie odpory a až potom sa pripojí priamo na medziobvod.

Formovanie kondenzátorov v medziobvode

Pokiaľ nebol menič dlhší čas (viac ako cca rok) v prevádzke, treba kondenzátory v medziobvode znovu naformovať. Formovanie sa robí na meniči odpojenom od napájania aj od motora. Presný postup udáva výrobca. Jedna možnosť je, že sa usmernené napätie z externého zdroja pripojí priamo na medziobvod a postupne sa zvyšuje. Druhou možnosťou je napájanie striedača zo strany motora. Tu sa využijú nulové diódy striedača ako usmerňovacie, pričom nabíjací prúd je obmedzený predradeným odporom. V oboch prípadoch prednabíjanie môže trvať aj niekoľko hodín v závislosti od toho, ako dlho menič nepracoval. Tyristorový usmerňovač (obr. 33) vďaka schopnosti regulácie napätia umožní formovanie medziobvodu aj bez prídavných komponentov.

Kapacitný modul

V aplikáciách, kde dochádza k častému prelievaniu väčšieho množstva energie medzi motorom a sieťou (napr. v lisoch či bubnových nožniciach), je vhodné zvýšiť kapacitu medziobvodu pridaním ďalšieho kondenzátora. Energia sa potom bude prelievať hlavne medzi motorom a medziobvodom a nebude sa cyklicky rázovo priamo odoberať zo siete, resp. vracať do siete. To zmenší kolísanie sieťového napätia na prívodoch k meniču a zariadeniach pripojených k tomuto prívodu.

Ochrana pred nadprúdom v medziobvode

Ak je spoločný medziobvod viacerých striedačov napájaný z tyristorového rekuperačného usmerňovača, hrozí pri výpadku sieťového napätia počas rekuperácie rovnaké riziko ako pri jednosmerných pohonoch, t. j. tyristory rekuperujúceho meniča sa nevypnú a celá energia spoločného medziobvodu (t. j. náboj na kondenzátoroch všetkých pripojených striedačov) sa vybije cez skratovanú vetvu usmerňovača. Výsledkom je poškodenie poistiek v skratovanej vetve usmerňovača, vo všetkých striedačoch a prestoj vo výrobe. Tento problém možno odstrániť zaradením nadprúdovej ochrany do medziobvodu (obr. 40). Vzhľadom na kapacitný charakter medziobvodu stačí na prerušenie prúdu tranzistorový spínač. Po obnovení sieťového napätia je tak linka schopná okamžite pokračovať v činnosti.

Menič na strane motora – striedač

Komerčné striedače bývajú osadené modulmi s IGBT spínačmi. Výstupné napätie striedača je vytvárané z jednosmerného napätia medziobvodu pomocou šírkovo impulzovej modulácie (PWM). V závislosti od spôsobu modulácie sa hodnota výstupného napätia pohybuje od cca 90 % (space-vector modulation) do 100 % sieťového napätia (edge modulation) – obr. 41. Modulačná (spínacia) frekvencia sa pohybuje medzi 1,5 ÷ 16 kHz. Pri vyššej spínacej frekvencii sa výrazne redukuje hluk motora, pričom pri frekvencii nad 10 kHz sa dostáva do oblastí, ktoré už ľudské ucho neregistruje. Na druhej strane pri vyššej spínacej frekvencii sa znižuje výstupné napätie striedača a rastú jeho spínacie straty, čo treba zohľadniť pri dimenzovaní. Nakoľko výrobcovia meničov používajú rôzne spôsoby modulácie, treba tento fakt overiť v katalógu príslušného výrobcu.

Literatúra

Katalógy výrobcov: ABB, Siemens, Vonsch

Peter Girovský
František Ďurovský
Želmíra Ferková
Ján Kaňuch
Marek Pástor
Katedra elektrotechniky a mechatroniky
FEI TU Košice
peter.girovsky@tuke.sk